Научное познание: структура и методы - Естествознание - единая наука о природе
Структура научного познания
Понятие метода и методологии (и границы научного метода)
Классификация методов научного познания
Главное назначение научной деятельности - получение знаний о реальности. Человечество накапливает их уже давно, однако большая часть современных научных знаний получена лишь за два последних столетия. Знания, добываемые наукой, намного превосходят их остальные виды своей полнотой, убедительностью, практической силой и пользой. Это связано, прежде всего, с методом, которым они добываются. Сущность научного метода заключается в получении научного знания, возможности его воспроизведения, проверке и передачи другим. В научном познании метод является системой правил, приемов практической деятельности. Он дает всем желающим возможность проверить достоверность имеющихся знаний и получить новые.
(Уровни научного познания, соотношение эмпирического и теоретического уровней)
Процесс научного познания в общем виде представляет собой решение различного рода задач, возникающих в ходе практической деятельности. Естествознание изучает мир с целью творения законов его функционирования как продуктов человеческой деятельности, отражающих периодически повторяющиеся факты действительности. Изучение естествознания необходимо для того, чтобы мы разбирались в его результатах, а также для понимания самой структуры мышления и хода научного познания.
Исходным в научном познании является эмпирический факт, или факт нашего чувственного опыта. Первый эмпирический факт, ставший отправной точкой научного познания, стал научным фактом. Так, согласно легенде эмпирический факт падения яблока на голову И. Ньютона стал отправной точкой открытия закона всемирного тяготения.
Ученые в процессе наблюдения устанавливают закономерности между многократно повторяющимися фактами, выводя впоследствии законы развития природы, то есть формируя положения, которые были бы верны во всех случаях жизни для однотипных фактов и классов явлений.
Для изучения закономерностей в природе необязательно ждать повторений одних и тех же фактов. Их можно изучать в эксперименте, который позволяет устанавливать необходимые взаимосвязи в лаборатории. Отличительной особенностью научного эксперимента является возможность его воспроизведения каждым исследователем в любое время в аналогичных условиях для подтверждения достоверности полученных результатов.
Научное познание предполагает поиск аналогий, которые скрываются в кажущихся, на первый взгляд, различиях. Поэтому поиски аналогий в различиях являются также необходимым этапом научного исследования.
Не во всех исследованиях эксперимент может быть модельным или реальным. Во многих случаях ученые (в частности, физики элементарных частиц) проводят мысленный эксперимент с представляемыми, а не существующими телами. На основе таких экспериментов возникают понятия, которые являются творческими произведениями разума человека. Для построения расчетов в таких экспериментах необходимо введение идеальных представлений или проведение идеализаций.
Развитие научного познания, идеализация приводят к формированию понятий, то есть объяснений тех или иных терминов для понимания глубинной сущности вещей. Формирование понятий позволяет перейти от эмпирического уровня познания на теоретический.
Для перехода с эмпирического на теоретический уровень познания ученые создают гипотезы, объясняющие и соединяющие в единое целое разрозненные эмпирические факты. Для этого привлекаются не только эмпирические знания, полученные в конкретное время, но и все данные, которые были получены ранее. После выдвижения гипотезы (или научного предположения, объясняющего причины какого-либо явления природы) ученый вновь возвращается на эмпирический уровень познания для ее проверки. Причем в ходе такой проверки он старается не столько подтвердить, сколько опровергнуть выдвинутую гипотезу. Если гипотеза выдерживает проверку, то она приобретает статус закона или закономерности. В науке стадия гипотезы никогда не бывает окончательной. Она или подтверждается, или отвергается.
Таким образом, естествознание изучает мир с целью "творения" законов его развития и функционирования, отражающих периодически повторяющиеся факты действительности. Совокупность нескольких законов, относящихся к одной области, образует теорию.
Итак, наука строится из наблюдений, эксперимента, гипотез, теорий и их аргументации. Научное познание включает два основных уровня: эмпирический и теоретический. Каково же их соотношение?
Прежде всего необходимо отметить, что эти два уровня научного знания отличаются по предмету, средствам и результатам исследований.
Говоря об их соотношении в научном познании, эмпирический считают более чувственным, а теоретический - преимущественно рациональным, хотя тем не менее теоретический уровень несет в себе и элементы чувственности или интуиции. Но в конечно итоге - для теоретического уровня характерна большая рациональность, так как любая теория требует подтверждения объективными, рациональными методами, которые не заменяются никакой интуицией.
Таким образом, в научном познании разделить полностью эти два уровня в целом процессе невозможно. А. Эйнштейн считал, что "только теория решает, что именно можно наблюдать"1.
В основе любого научного познания лежит единство эмпирических и теоретических сторон. Они взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Их разделение или преимущественное развитие одной за счет другой, закрывает путь к правильному пониманию и познанию явлений природы - теория становится беспредметной, а опыт - слепым. Особенно тесно эти два уровня познания переплетены в экспериментальной и теоретической физике.
(структура научного познания)
Попытки определить соотношение эмпирического и теоретического уровней в научном познании показали несостоятельность их разделения и невозможность проведения между ними четкой границы. Но, тем не менее, эти исследования позволили понять структуру научного познания, установив ее как бы "двухэтажность". "Верхний этаж" занят теорией и, вроде бы, надстроен над "нижним" (эмпирией) и без последнего должен был бы рассыпаться. Но между этими "этажами" нет прямой и удобной лестницы и попасть с одного на другой можно с помощью "скачка". И, согласуясь с выражением А. Эйнштейна (приведенным выше), несмотря на важность эмпирического (нижнего) "этажа", решение принимается наверху, во владениях теории.
Современную модель (или структуру) научного знания можно представить следующим образом: эмпирический факт --> научный факт --> наблюдение --> реальный эксперимент --> модельный эксперимент --> мысленный эксперимент --> фиксация результатов эмпирического уровня исследований --> эмпирическое обобщение --> использование имеющегося теоретического знания--> образ --> формирование гипотезы --> проверка ее на опыте --> формирование новых понятий --> введение терминов и знаков --> определение их значения --> выведение закона --> создание теории --> проверка ее на опыте --> принятие дополнительных гипотез (в случае необходимости).
"Скачок" с эмпирического ("первого этажа") на теоретический ("второй этаж") уровень происходит на стадии создания "образа". Именно "образ" нельзя обнаружить наблюдением, его можно сотворить только умозрительно, представив затем в виде теоретической гипотезы. Если гипотеза верна, объясняет возникающие противоречия между эмпирическими факторами, а еще лучше - позволяет предсказать появление новых нетривиальных фактов, это значит, что рождается новая теория и найден новый теоретический закон. В этом случае цепочка научного знания выстраивается до конца. Подобная модель научного знания называется гипотетико-дедуктивной. Большая часть современного научного знания построена именно таким образом.
Понятие метода и методологии (и границы научного метода)
Метод (от греч. "методос" - путь к чему-либо) означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности. Он вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми он может достичь намеченной цели. Владение методом означает для человека знание того, каким образом и в какой последовательности совершать те или иные действия для решения тех или иных задач, и умение применять это знание на практике.
Основатель эмпирической науки Ф. Бэкон сравнивал метод с циркулем. Так как способности людей различны, и для того, чтобы всегда добиваться успеха, требуется инструмент, который уравнивал бы шансы и давал возможность каждому исследователю получать нужный результат. Таким инструментом, дающим всем равные шансы в поисках научной истины, и является метод.
Первым на значение метода в решение научных проблем указал французский математик и философ Р. Декарт: "Под методом я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых... без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного познания всего, что ему доступно".
Учение (или наука) о методах называется методологией. Изучая закономерности человеческой познавательной деятельности, методология вырабатывает на этой основе методы ее осуществления. Важнейшей задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания.
Необходимо отметить, что любой метод сам по себе еще не определяет успеха в познании тех или иных сторон материальной действительности. Важно правильно применять научный метод в процессе познания.
(Границы научного метода)
Достижения научного метода огромны и неоспоримы. Именно с его помощью человечество не без комфорта обустроилось на всей планете, поставило себе на службу энергию воды, пара, атома, начало осваивать околоземное космическое пространство. Но в настоящее время, в связи с возникновением энергетического и экологического кризисов на планете, общество стало смотреть на науку более трезво, осознавая, что научный метод имеет свои издержки и границы применимости. Впервые вопрос о границах научного метода поставил еще И. Кант, который считал, что научный метод разрабатывается для устранения возникающих в процессе познания Природы преград и границ, но, тем не менее, некоторые границы он считал фундаментальными.
Одну из таких границ очерчивает наш опыт. И здесь необходимо признать верность эмпиризма, который считает, что конечным источником любого человеческого знания является опыт (во всевозможных формах). А наш опыт, хотя и велик, но неизбежно ограничен. И эта ограниченность связана с временем существования человечества. Истинность конечных выводов в приложении к тому, что находится за пределами опыта, всегда останется не более чем вероятной.
Рациональность научных знаний относится только к изучаемой нами реальности. За ее пределами истинность научных постулатов из однозначной превращается в вероятностную, поэтому основания науки не имеют абсолютного характера. А это связано с ограниченностью нашего опыта.
Следующая граница возведена природой самого человека как существа макромира. Поэтому перенос наших знаний о макромире на микро - и мегамиры по принципу аналогий не всегда стыкуется с реальностью. Хотя в этом случае для описания недоступной нашему опыту реальности, они перешли на язык абстрактных обозначений и математики, что, вполне возможно, позволит устранить эту границу.
Следующую границу создает сама наука, так как она, открывая все большие возможности в познании окружающего нас мира, высвечивает и области невозможного. Но эта граница, на наш взгляд, тоже преодолима, так как отодвигается с каждым новым научным открытием.
И последнее ограничение связывают с инструментальной по сути природой научного метода. По выражению В. Лавриненко с соавт., наука - это рассказ о том, что в этом мире есть и в принципе может быть. А вот о том, что "должно быть" в мире, конечно, в социальном, она молчит. Она не отвечает на вопрос: во имя чего все надо делать и что в конечном счете на Земле хочет утвердить человек. Но это область знания философии.
И мы вновь вернулись к необходимости гармоничного развития всех элементов общей культуры человечества, одним из которых и является наука. А именно это и позволит устранить и данную границу в научном познании окружающего нас мира.
Таким образом, по существу ограниченность научного метода связана с граничностью опыта самого человека. Но сочетание научного метода, достижений науки с другими элементами общей культуры человечества позволит устранить и эту границу, признавая, что реальный мир богаче и сложнее, чем его образ, создаваемый только наукой.
Классификация методов научного познания
Выделяя в структуре научного познания два основных уровня: эмпирический и теоретический, необходимо отметить, что каждому из них соответствуют специфические методы, но есть и общие. Так специфическими методами эмпирического уровня являются наблюдение, эксперимент, измерение, а для теоретического - идеализация и формализация. Общим методом для того и другого уровня научного познания является, например, метод моделирования.
Специфические научные методы эмпирического познания:
Наблюдение, то есть целенаправленное восприятие явлений объективной действительности;
Описание - фиксация с помощью языка или письма сведений об объекте познания;
Измерение - сравнение изучаемых объектов по различным параметрам (длина, ширина, высота и др.);
Эксперимент - наблюдение в специально создаваемых и контролируемых условиях.
Специфические научные методы теоретического познания:
Формализация - построение абстрактно-математических моделей, раскрывающих сущность изучаемого явления, этот метод осуществляется с помощью математической символики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов и оперировать множеством символов; для построения любой формальной системы необходимо:
- А) задание алфавита ил определенного набора знаков; Б) задание правил, по которым из исходных знаков этого алфавита могут быть получены "слова" и "формулы"; В) задание правил, по которым от одних слов, формул данной системы можно переходить к другим (так называемые правила вывода);
Аксиоматизация - построение теорий на основе аксиом (утверждений, не требующих доказательств);
Идеализация - мысленный эксперимент, который целесообразно использовать,
- - во-первых, когда подлежащие изучению реальные объекты очень сложны; - во-вторых, когда необходимо исключить некоторые свойства предмета или явления, без которых он существовать не может, но они затеняют существо протекающих в нем процессов; - в-третьих, когда исключаемые свойства, стороны и связи изучаемого объекта не влияют в рамках данного исследования на его сущность;
Гипотетико-дедуктивный метод - создание систем дедуктивно связанных гипотез, из которых вытекают утверждения об эмпирических фактах.
Общие методы познания:
Анализ - расчленение целого на составные части;
Синтез - соединение частей в единое целое;
Абстрагирование - отвлечение от ряда несущественных частей и выделение основных;
Обобщение - мысленное установление общих свойств и признаков объектов;
Дедукция - из общих посылок выводятся заключения частного порядка;
Индукция - построение общих выводов на частных посылках;
Аналогия - на основе сходства ряда признаков предмета, явления проводятся заключения об их сходстве и в других признаках;
Моделирование - изучение объекта (оригинала) путем создания его копии-модели в увеличенном или уменьшенном виде; в зависимости от характера изучаемых моделей в научном исследовании различают моделирование:
- А) мысленное - идеальное (модель электромагнитного поля Дж. Максвелла, модель атома Э. Резерфорда и др.); Б) физическое - воспроизводит физическое подобие между моделью и оригиналом, воспроизводит в модели процессы, свойственные оригиналу; В) символическое - знаковое - представление свойств оригинала в знаково-условной форме (топографические и графические представления); Г) численное - осуществляется на ЭВМ на ранее созданных математических моделях изучаемого объекта и применяется при больших объемах вычислений, как указывает акад. О. Белоцерковский "... оно важно в тех случаях, когда не совсем ясна физическая картина изучаемого явления, не познан внутренний механизм взаимодействия";
Классификация - разделение всех предметов, явлений и процессов на группы по какому-либо важному признаку;
Статистические - определение средних значений, характеризующих всю совокупность изучаемых предметов и явлений.
Кроме этих методов, существуют методы, используемые в рамках конкретных наук или при изучении какого-либо конкретного явления - частнонаучные. Такими методами обладает каждая частная наука, но они, как правило, содержат в различных сочетаниях те или иные общенаучные методы познания и включают в себя специфическое применение общенаучных познавательных приемов для изучения конкретной области объективного мира.
Естественнонаучная картина мира
Понятие естественнонаучной картины мира
Наука возникает и развивается на основе практической деятельности человека. Она отличается от художественного творчества тем, что научное положение требует обоснования системой доказательств. Научная истина - это не только факты и обобщения, но и законы, объясняющие их, теории, опирающиеся на них. Сумма законов о развитии природы (живой и неживой) формирует естественнонаучную картину мира. Следовательно, естественнонаучная картина мира - это картина сущности и основных законов развития в неживой и живой природе. Это синтетическое, систематизированное и целостное представление о природе на данном этапе научного познания. Ядром естественнонаучной картины мира служит, как правило, картина мира, лидирующая на данном этапе науки. Долгое время таким лидером считалась физика. Причина этого в том, что именно физика изучает наиболее простые и наиболее общие виды движения материи, которые лежат в основе химических и биологических явлений. Участие биологии в формировании естественнонаучной картины мира заключается в обосновании идеи сохранения, в разработке принципов эволюции, в решении проблемы человека как биосоциального существа. В настоящее время развитие молекулярной биологии и кибернетических идей в трактовке эволюционного процесса выводит биологию в лидеры естествознания. Именно ХХI век должен стать веком биологии, а ХХII - веком наук об обществе. Такая ситуация полностью согласуется и с закономерностями эволюции материи в целом - от неживого к живому и разумному. Такой частно-научный подход определяет структуру научной картины мира. Кроме такого подхода в структуре выделяют абстрактно-логическую и образную составляющие. Эти две компоненты в целостной картине мира равноправны. Наконец, важным элементом структуры являются междисциплинарные концепции современного естествознания, к которым относятся: количественная неизменность движения (закон сохранения энергии) и его постоянное качественное изменение (закон возрастания энтропии); глобальный эволюционизм; принципиальная случайность, лежащая в основе природных закономерностей; математические программы и ряд других.
Естественнонаучная картина мира обладает специфическими функциями:
- - это внешний интерфейс естественных наук, то есть их представительство в общей культуре; - мировоззренческая, определяющая стиль мышления (методология, структура, логика познания); - эвристическая, то есть подготовка новых открытий, так как это связано с выходом за рамки логики существующих теорий.
Значительное место в формировании естественнонаучной картины мира занимают работы В. И. Вернадского о биогеохимических факторах как факторах эволюции планеты Земля, об их космической сущности. Это идеи о единстве живой и неживой природы в пределах конкретной точки Вселенной. Наиболее плодотворными в синтезе В. И. Вернадского оказались мысли о биосфере как закономерном этапе эволюции космоса. В настоящее время они являются основополагающими в формировании единой естественнонаучной картины мира.
За всю историю развития человечества можно выделить три основных естественнонаучных картины мира: сущностная (преднаучная), механистическая (XVII-XVIII вв.), эволюционная (современная).
В представлении советских ученых В. Кузнецова, Г. Идлиса и В. Гутиной естественнонаучную картину мира непосредственно определяют астрономия, космология, космогония и физика.
Астрономия - это наука о звездах и вообще о небесных светилах и, значит, обо всем нашем закономерном видимом мире. Она представляет нам необходимые для построения естественнонаучной картины мира наблюдательные данные.
Космология - это физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.
Космогония концентрирует внимание не на Вселенной как целом, а на непосредственно данном мире, космосе и прежде всего на его происхождении из чего-то первоначального, то есть на процессе происхождения этого уже определенным образом упорядоченного мироздания (со всеми его составляющими).
Физика закладывает необходимый теоретический фундамент под все мироздание, описываемое астрономией, космологией и космогонией, а следовательно, под все естествознание.
В современной естественнонаучной картине мира имеет место саморазвитие, и в ней присутствуют человек и его мысль. Чтобы ее понять, необходимо знать, как она развивалась.
Формы восприятия природы в истории культуры и развитие естественнонаучной картины мира (античность, средние века и эпоха Возрождения) - преднаучная картина мира
Историческое развитие естественнонаучной картины мира зависело от формы восприятия природы в истории человеческого общества и, в частности, от его культуры.
В далеком прошлом истории человечества теряется период, который можно назвать донаучным, которому соответствовала преднаучная картина мира. В этот период люди наблюдали за жизнью и повадками животных, распространением растений. Это был период накопления знаний об окружающем мире. Такие знания передавались из поколения в поколение, обогащаясь и развиваясь. Но это была еще не наука, так как не было сколько-нибудь рационального объяснения этим фактам. Это религиозно-мифологический период в развитии человеческой мысли, так как недостающие знания об окружающем природном мире дополнялись, а зачастую и заменялись деятельностью божественного провидения и недоступностью познания их сущности человеком, хотя находились и люди не согласные с таким мировоззрением. До нас дошел литературный источник из древнего Вавилона, в котором анонимный автор выражает несогласие с господствующим представлением о бессмертии души и существовании загробного царства.
На духовную жизнь Азии большое влияние оказала древнеиндийская философия как попытка объяснения окружающего мира. В ней господствовало представление о материальной сущности Вселенной, о четырех или пяти элементах, из которых она состоит (земля, вода, огонь, воздух, эфир). Материалистической по своей сути была и древняя философия Китая, которая утверждала реальность и объективность законов развития.
Однако ни одно из этих философских построений не имело подтверждения в опытах или практике людей, поэтому их считали интересными мыслями, догадками о сущности мироздания.
Философия мыслителей древнего Востока оказала определенное воздействие на формирование воззрений на природу в древней Греции. Именно античные мыслители сформировали первые картины мира еще в 600-500 гг. до н. э. Античные мыслители, каждый по-своему, искали единое в многообразии явлений окружающего мира. Особенно многофилософоф и ученых дал миру в то время греческий народ, весьма немногочисленный. И хотя их концепции не могут быть названы вполне научными, эволюция естественнонаучной картины мира берет начало именно отсюда. Главная мысль естественнонаучной картины мира того времени: в природе существует естественный порядок всех вещей и естественная обоснованность явлений.
Первым исторически достоверным представителем древнегреческой философии является Фалес из Милеты (624-547 гг. до н. э.). Он является основателем стихийно-материалистической школы, полагая началом всего воду, считая, что Вселенная в процессе зарождения возникла из воды. Ученые этой школы были своего рода и естествоиспытателями. Они сделали научные открытия в области геометрии, географии, астрономии, математики. К этой школе относятся Анаксимандр (610-546 гг. до н. э.) и Анаксимен (585-525 гг. до н. э.), которые исходили из признания единого, вечно движущегося материального первоначала. У Анаксимандра это бесконечная неопределенная материя "апейрон", а у Анаксимена - воздух. Позже Гераклит Эфесский (530-470 гг. до н. э.) первородной материей стал считать огонь. Эмпедокл (490-430 гг. до н. э.) уже развивает мысль о множественности общей первоосновы мира - огня, воздуха, земли и воды.
Большое место в развитии идей единства мира занимало атомистичкое учение. Анаксагор (500-428 гг. до н. э.) ввел понятие бесконечномалых единиц материи - атомах (неделимые частицы). В дальнейшем эта теория развивалась Демокритом (460-370 гг. до н. э.), который считал, что атомы лишены всякого чувственно воспринимаемого качества, неделимы и различаются по форме, величине, порядку и положению в пространстве, что и определяет особенности тел природы. Он писал: "Атомы вихрем носятся во Вселенной и порождают все сложное - огонь, воздух, землю, воду"[1]. Эпикур (341-270 гг. до н. э.) считал, что из атомов состоит даже душа человека.
Идеи иерархии мира развиты достаточно глубоко античными учеными. Наряду с общефилософскими концепциями шло накопление знаний и о многообразии мира. Особенно поражало античных ученых многообразие живой природы. При этом древние греки подметили иерархию органического мира. Отражением всех знаний о разных уровнях сложности живых организмов явилось обобщение Аристотеля (384-322 гг. до н. э.) в созданной им "лестнице существ". При этом построении он использовал сравнительно-морфологический метод исследования и расположил все тела природы в следующем виде: минералы - растения - зоофиты - низшие животные - высшие животные - человек. Таким образом, в представлении Аристотеля все тела природы отличаются друг от друга по степени сложности организации, выражая собой различные ступени ее совершенства.
Идея "лестницы существ" - это способ объяснения познаваемой природы и ее закономерностей в античный период создания естественнонаучной картины мира. Идея единства и одновременного многообразия природы невольно наводит на мысль о возможности превращения первоначальной материи. Закономерный же характер расположения всех разнообразных тел живой и неживой природы приводит к идее превращения путем развития. Таким образом, истоки идеи развития уже были заложены в "лестнице существ" Аристотеля, смысл которой в возникновении высших форм из низших на основе идеи о всеобщности движения. Реальность движения и его причины Аристотель рассматривал на механическом движении. Основное положение его механики - "движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие". Он считал, что любое движение требует приложения силы: стрелу пускает человек, небосвод - Бог. Более глубоко идею всеобщности движения развил Гераклит, который видит движение в постоянном взаимопревращении природного мира в целом. Мир, по Гераклиту, находится в вечном процессе возникновения и уничтожения. Первовещество и первосила мира - огонь - является причиной таких превращений. Благодаря изменениям огня материя превращается в воду и землю. Огонь погасает - "умирает", превращаясь в воду и землю. Этот путь огня Гераклит назвал "путем вниз". "Путь вверх" - из воды возникает огненный смерч, все становится единым; все вещи превращаются в огонь, он воспламеняется, рождается. Мир, таким образом, состоит из противоположностей, которые переходят друг в друга, поэтому наличие одной противоположности порождает появление другой. По Гераклиту всякое движение (путь вниз - вверх) - это самодвижение, рождающееся из единства противоположностей. Так, Гераклит по существу стихийно, на наивных примерах установил один из важнейших принципов развития природы - всеобщность движения.
Идея взаимосвязи предметов и явлений связана с космическими представлениями древних греков. Так, Аристотель проводит мысль о том, что Вселенная - это единое и непрерывное явление.
Согласно мировоззрению многих античных философов мир образовался в виде замкнутой фигуры с ярко выраженной кривизной в результате сгущения в одном месте беспорядочно движущихся тел. По мере их сгущения более крупные и тяжелые опускались вниз; мелкие же, которые были "малы, круглы, гладки и весьма скользки" вытеснялись вследствие скопления атомов и уносились вверх. Когда отталкивающая сила перестала поднимать их вверх, они прекратили свое движение, расположились кругом и к ним стало присоединяться множество других тел. Все это сообщество принимало вид изогнутой поверхности. Вследствие переплетения этих тел в виде различных фигур зародилось звездное небо. Множество испаряющихся тел вытесняли воздух, который образовывал ветер. Именно ветер, в соответствии с механическим принципом движения Аристотеля, явился главным двигателем всех небесных тел. Позже, во II в. до н. э. эти идеи легли в основу геоцентрической модели мира Птолемея.
В античной философии идея естественного возникновения жизни очень важна. Рассматривая живое как часть материи и, считая, что все многообразие природы происходит от одного "начала", древнегреческие философы-диалектики приходили к заключению, что ничто не существовало вечно. Неорганическая и органическая материя и даже человек возникли когда-то путем превращения единой "первоосновы". Так, Эмпедокл считал, что первобытная Земля находилась в состоянии "тины". Приобретая различные формы, пузыри тины образовали растения, навсегда оставшиеся связанными с породившей их землей; независимо от растений из той же тины образовались животные и человек.
Первые попытки объяснить очевидную приспособленность организмов к условиям среды также принадлежат Эмпедоклу, который полагал, что в Мировом океане из тины возникали не целые организмы, а их части (органы), "любовь" связывала их в целостные системы, которые были необязательно гармоничны. Части, соединяясь случайно, формировали зачастую уродливые формы, которые в дальнейшем подвергались отбору: уродливые, негармоничные формы погибали, гармоничные сохранялись. Здесь в наивной форме выражена ценнейшая мысль: целесообразная гармоничная организация не была дана заранее, она возникала как следствие отбора.
В IV в. до н. э. Аристотель обобщает знания этого периода и создает первое целостное представление о природе - преднаучную картину мира, которая основана на следующих постулатах:
- - единство живого и неживого мира, основанное на единстве материальных элементов; - иерархическая структура мира; - геоцентрическая модель Вселенной; - всеобщность изменчивости и взаимопревращения природных тел, отсюда происхождение жизни из неживой материи; - объяснение целесообразности организмов через борьбу за существование и своеобразный отбор.
Название "преднаучная" связано с тем, что ученые этого периода отрицали эксперимент и опыт как методы научного познания, поэтому многое в их учениях являлось идеализированным, вымышленным, мифологическим.
По своему методологическому подходу картина Аристотеля является дуалистичной, так как в ней признается равноправие двух начал: идеального (действие высшего разума, создавшего из хаоса движения атомов гармонию Вселенной) и материального (взаимосвязь и всеобщность развития в природе, о чем говорилось выше).
Переход от рабовладельческих обществ древности к феодальным отношениям средневековья с их натуральным хозяйством и господством католической церкви приводит к резкому упадку естествознания. Однако тысячелетний период средневековья не был однородным. Так, в VII-VIII вв. н. э. центром культуры и знаний становится арабская империя, подчинившая себе обширные территории. В ней развивается математика, астрономия, география и особого расцвета достигает медицина. Центром естественнонаучных знаний становится Багдад. На основе переводов трудов Аристотеля Ибн Сина (Авиценна) (980-1037гг.) строит свою лестницу живых существ и пишет о "постепенных процессах изменения Земли". Арабская наука ассимилировала лучшие идеи античности об устройстве мира: первичная материя способна к движению, а изменчивость - свойство материи.
В Европе работы Аристотеля становятся известны только в XII в. из переводов с арабского. Вся естественнонаучая деятельность в это время сосредоточена в монастырях, а наиболее крупными учеными-натуралистами этого времени были монахи. Так, немецкий монах ордена доминиканцев Альберт Больштедтский (1207-1280гг.) развивает идеи Аристотеля и Ибн Сины. В своем трактате "О растениях" он выделяет две причины изменчивости растений: 1) влияние внешней среды и 2) изменение природы семян. Французский монах-францисканец Роджер Бэкон (1214-1294гг.) пишет, что природа управляется своими естественными силами и не нуждается ни в каком колдовстве или вмешательстве злых духов. Он проектирует самоходящие повозки и летательные аппараты для людей.
Однако все это были отдельные гениальные догадки, которые давали лишь общие представления об окружающем мире как о реальности, обладающей собственными законами развития. Какой-либо целостной научнообоснованной картины мира пока еще не было. По выражению Ф. Энгельса: "Современное естествознание - единственное, о котором может идти речь как о науке, в противоположность гениальным догадкам греков и спорадическим, не имеющим между собой связи исследованиям арабов, - начинается с той грандиозной эпохи, когда бюргерство сломило мощь феодализма, когда на заднем плане борьбы между горожанами и феодалами показалось мятежное крестьянство"[2].
Эпоха средневековья характеризовалась в Европе закатом классической греко-римской культуры и резким усилением влияния церкви на всю духовную жизнь общества. Догматы церкви становятся, по выражению Ф. Энгельса, одновременно и политическими аксиомами, а библейские тексты получили на всяком суде силу закона. Это верховное господство богословия во всех областях умственной деятельности было в то же время необходимым следствием того положения, которое занимала церковь в качестве наиболее общего синтеза и наиболее общей санкции существующего феодального строя. В это время философия сближается с теологией и становится фактически ее "служанкой".
Вторая половина XV в. ознаменовалась крупными географическими открытиями. Христофор Колумб открывает Кубу, Гаити и Ямайку (1492-1494 гг.); Васко де Гама достигает Индии, обогнув мыс Доброй Надежды (1498 г.); Америго Веспуччи достигает берегов Южной Америки и изучает ее во время своих путешествий по ней (1506 г.). Развитие торговли усиливает экономические связи и способствует расширению производства, что создает предпосылки для развития науки. Эта эпоха получила название эпохи Возрождения. Это период ранней стадии кризиса феодализма, когда происходит возрождение ценностей и идеалов античности, но уже на новом, более высоком уровне. В это время закладываются основы буржуазных общественных отношений, получают развитие науки, меняются отношения церкви и государства, формируется идеология гуманизма. В эту эпоху на передний план выходит светская жизнь, жизнедеятельность человека в этом мире и ради этого мира, для достижения счастья человека в жизни. Центральной фигурой становится не Бог, а человек. Бог признается началом всех вещей, а человек - центром всего мира. По выражению одного из гуманистов XV в. Джованни Пико делла Мирандола (1463-1494), человек не просто природное существо, а творец самого себя и господин над всей природой. Происходит ослабление средневекового убеждения в греховности человека и испорченности человеческой природы, а в результате человек уже не нуждается в божественной благодати для своего спасения. По мере того как человек осознает себя в качестве творца собственной жизни и судьбы, он оказывается и неограниченным господином над природой. Поэтому система мира является антропоцентрической. Общество считается не продуктом божьей воли, а результатом деятельности людей. Эпоха Возрождения характеризуется новым уровнем самосознания человека: гордость и самоутверждение, сознание собственной силы и таланта, свободомыслие - вот основные отличительные черты передового человека этой эпохи. Человеку теперь не нужна милость бога, чтобы справиться с недостатками собственной "поврежденной" природы. Он сам теперь творец, а потому и фигура художника-творца становится как бы символом Ренессанса.
В эпоху Возрождения материально-чувственная деятельность, в том числе и творческая, приобретает особый характер. В ходе ее человек не просто удовлетворяет свои земные нужды, он создает новый мир, творит красоту и самое высокое, что есть в мире - самого себя. Человек становится сотворцом Бога, он ищет точку опоры не только в космосе, из которого за это время как бы вырос, сколько в себе самом, в своей углубившейся душе и в своем теле. Тело человека - это не "оковы души", которые тянут вниз, являясь греховным. Телесная жизнь самоценна. С антропоцентризмом связан характерный для этой эпохи культ красоты, и главенствующее место занимает живопись, изображающая прежде всего прекрасное человеческое лицо и тело, наивысшего выражения это достигает в работах Боттичелли, Леонардо да Винчи, Рафаэля.
В понимании природы для эпохи Возрождения характерен пантеизм (от греческого - всебожие). Бог утрачивает свой внеприродный характер, сливается с природой, а она тем самым обожествляется. Поэтому натурфилософы Возрождения, например знаменитый немецкий врач, алхимик и астролог Парацельс (1493-1541гг.), видят в природе некое живое целое, пронизанное магическими силами, которые находят свое проявление не только в строении и функциях живых существ - растений, животных, человека, ангелов и демонов, но и в неодушевленных стихиях.
Правда, в целом естествознание этой эпохи не пошло дальше накопления фактов о новых землях, новых видах растений и животных. Развитие науки по-прежнему происходило количественно, шло дальнейшее накопление материала. Во многом этому способствовало все еще значительное господство догматов церкви, которая продолжала быть значительным тормозом в развитии естественнонаучных знаний и в формировании целостной подлинно научной картины мира.
Религия и наука: основные противоречия
Прежде чем говорить о соотношении науки и религии необходимо определить, что же такое наука и что такое религия.
Наука - это сфера человеческой деятельности, в которой вырабатываются и теоретически систематизируются знания о действительности, допускающие доказательство или эмпирическую проверку.
Религия - это богобоязненность, страх и почитание богов, тщательное обдумывание всего того, что имеет отношение к этому почитанию (Цицерон). Это узы, соединяющие нас с Богом в служении ему, и повиновение через благочестие. Религия не просто вид каких-то связей, взаимоотношений и действий людей, некоторое функционирующее образование, форма общественного или индивидуального сознания; она есть одна из сфер духовной жизни общества, групп, индивида; способ практически духовного освоения мира, одна из областей духовного производства.
Таким образом, религия представляет собой:
- - необходимо возникающий в процессе становления человека и общества аспект их жизнедеятельности, ее активно действующий компонент; - способ существования и преодоления человеческого самоотчуждения; - способ отражения действительности; - общественную подсистему; - феномен культуры.
Появление и существование религии связывается, прежде всего, с отношениями несвободы, зависимости, ограниченности, подчинения; иначе говоря, той области человеческого существования, которая недоступна управлению, целенаправленному регулированию.
По вопросу соотношения науки и религии существуют различные точки зрения. В атеистической литературе пропагандировалось мнение, что научное знание и религиозная вера несовместимы, и каждое новое знание уменьшает область веры вплоть до утверждения, что "поскольку космонавты не увидели бога, то, стало быть, его нет". Водораздел между наукой и религией проходит в соответствии с соотношением в этих отраслях культуры разума и веры. В науке преобладает разум, но и в ней имеет место вера, без которой познание невозможно - вера в чувственную реальность, которая дается человеку в ощущениях, вера в познавательные возможности разума и в способность научного знания отражать действительность. Без такой веры ученому трудно было бы приступить к научному исследованию. Наука неисключительно рациональна, в ней имеет место и интуиция, особенно на стадии формирования гипотез. С другой стороны, и разум, особенно в теологических (религиозных) исследованиях, привлекался для обоснования веры, и далеко не все церковные деятели соглашались с афоризмом Тертуллиана: "Верую, потому что абсурдно".
Итак, область разума и веры не разделена абсолютной преградой. Наука может сосуществовать с религией, поскольку внимание этих отраслей культуры устремлено на разные вещи: в науке - на эмпирическую реальность, в религии - преимущественно на внечувственное. Научная картина мира, ограничиваясь сферой опыта, не имеет прямого отношения к религиозным откровениям, и ученый может быть как атеистом, так и верующим. Другое дело, что в истории культуры известны случаи резких конфронтаций между наукой и религией, особенно в то время, когда наука обретала свою независимость, во время создания гелиоцентрической модели строения мира Коперником.
Кроме этого, существует область суеверий, которая не имеет отношения ни к религиозной вере, ни к науке, а связана с остатками мистических и мифологических представлений, а также с различными сектантскими ответвлениями от официальной религии и бытовыми предрассудками. Суеверия, как правило, далеки и от подлинной веры, и от рационального знания.
На всем протяжении развития человеческого общества религиозные учения входили в противоречия с научными данными о природе и человеке. Перед религией постоянно стояла задача выработать средства противодействия влиянию свободомыслия, развитию научных знаний и в то же время учесть возросший авторитет науки и философии. Впервые это попытался соединить Фома Аквинский (1225-1274 гг.) в своей "Теории о гармонии веры и разума". Он провозгласил, что вера не должна противоречить разуму. Разум способен доказать догматы о существовании Бога, о сотворении мира, о бессмертии души, то есть разум и вера направлены на познание одного и того же - Бога, но делают это различными путями. Разум опирается на науку, вера - на религию. Итогом деятельности разума является знание, итогом деятельности веры - вероучение. Знания - это область очевидных и доказуемых истин, а вера - неочевидных и недоказуемых. Таким образом, определялась самостоятельность науки и религии, но в то же время утверждалось, что в науке не может быть признано истинным то, что является ложным с точки зрения религии. Признавая ценность научного знания, рациональных доказательств, главенство оставалось за религией и сохранялся ее контроль над научной деятельностью.
Несовместимые противоречия научных знаний и религии проявились в период создания теории Коперником и развитием ее в своих трудах Дж. Бруно (1548-1600гг.). Исходные посылки в его трудах - единство и бесконечность мира, его несотворимость и неуничтожаемость. По его мнению, движущаяся вокруг своей оси и вокруг Солнца Земля - лишь ничтожная пылинка в беспредельном мироздании. Земля не может быть центром космоса, так как в мире вообще нет центра и нет границ. Космос вечен и бесконечен, к нему неприменимо понятие верх и низ. В "безмерном лоне бесконечной Вселенной возникают, развиваются, уничтожаются и снова зарождаются бесчисленные миры. Наша Солнечная система - лишь одна из бесчисленного множества других, подобных систем"[3]. Все это полностью опровергало постулат церкви о сотворимости мира в определенный момент, о центральном месте Земли. Церковь была вынуждена объявить Дж. Бруно еретиком и приговорить ученого к сожжению на костре, но его идеи остались живы и легли в основу естествознания Нового времени, и ничто уже не могло остановить познание окружающего мира и построение его естественнонаучной картины, в которой Богу отводилось все меньше и меньше места. Сокрушительный удар по религиозной концепции сотворения мира нанес выход книги Ч. Дарвина "Происхождение видов путем естественного отбора". В этом труде Дарвин положил конец воззрению на виды животных и растений как ничем не связанные, случайные и неизменяемые.
В современных условиях религия занимает место как часть общей культуры человечества.
Механицизм в развитии научной картины мира (метафизический подход)
В Западной Европе XVII в. характеризуется интенсивным развитием буржуазных отношений в обществе. Потребность капиталистического производства коренным образом изменила отношения людей к науке, к целям и значению человеческого познания. В век нарождающегося капиталистического производства наука и ее инструмент - разум рассматриваются как полезные инструменты созидания и преобразования мира.
Родоначальником нового подхода к науке является английский философ Френсис Бэкон (1561-1626 гг.). Его афоризм "знание - сила" в течение трех веков является символом науки. Наука, по мнению Ф. Бэкона, не может и не должна служить только целям обоснования Бога, а также быть знанием ради знаний. Конечная цель науки - изобретения и открытия. Цель же изобретений и открытий - человеческая польза, то есть удовлетворение потребностей и улучшение жизни людей, умножение власти человека над природой.
В XVII в. на смену преднаучной естественнонаучной картине мира приходит механистическая. Макс Планк назвал ее исторически первой естественнонаучной картиной мира Нового времени. Эта картина мира напоминала часы: любое событие однозначно определяется начальными условиями, задаваемыми абсолютно точно. В таком мире нет места случайности. В нем возможно существо, способное охватить всю совокупность данных о состоянии Вселенной в любой момент времени, которое может не только точно предсказать будущее, но и до мельчайших подробностей восстановить прошлое.
В XVII-XVIII вв. преобладало представление о Вселенной как о гигантской заводной игрушке. Оно имело религиозную основу. Бог как рациональное существо создал мир, в основе своей рациональный, и человек как рациональное существо, созданное Богом по своему образу и подобию, способен познать мир. Механистическая картина мира предполагала Бога как часовщика и строителя Вселенной и основывалась на следующих принципах: 1) связь теории с практикой; 2) использование математики; 3) эксперимент реальный и мысленный; 4) критический анализ и проверка данных; 5) главный вопрос: как, а не почему.
В это время устанавливается метафизический взгляд на природу, отрицающий развитие, признающий неизменность природы с присущей ей изначальной целесообразностью. Этот метод исходил из количественного понимания развития.
Одним из основоположников механицизма был французский ученый Рене Декарт (1596-1650 гг.). В своем труде "Начала философии", опубликованном в 1644 г., движение планет он объясняет действием космических вихрей, считая движение формой существования материальных тел, тем самым, развивая и совершенствуя учение Демокрита. По его мнению, граница тела с пространством реальна только за счет разницы скоростей движения. В мире Декарта нет ничего кроме движущихся бескачественных частиц. Все природные процессы он сводит к механическому перемещению частиц. По этой теории разницы между живым организмом и механизмом, созданным человеком, нет. Живой организм может образоваться из неживого вещества за счет движения частиц материи, которые при этом давят на среду, уплотняя ее, образуя стенки органов. Движущаяся кровь образует в аналогичном процессе стенки сосудов, а затем образуются и другие органы и системы органов. Несмотря на зачатки материализма в учении Декарта, он признавал подчинение всего живого Богу и наличие изначальной целесообразности. Философия Декарта была умозрительной, в своих работах он не использовал реальных фактов и явлений.
Второй, наиболее известный и яркий представитель механицизма - Исаак Ньютон (1643-1727 гг.). В противоположность Декарту, материал для создания своей картины мира он черпал из опыта. Его основной тезис: "Гипотез не измышляю". В своем труде "Математические начала натуральной философии" (1686 г.) он дал математическое доказательство гипотезы Коперника и законам Кеплера, объяснив все небесные движения законами тяготения. Им сформулированы три основные закона механики и ряд других важнейших законов и правил физики. В своих исследованиях Ньютон применял метод индукции - переход от единичного к общему, то есть обобщение. Но и Ньютон не вышел за рамки метафизики, считая природу неизменной. С помощью теории тяготения он пытался объяснить принцип всех природных систем и основу, на которой "держится мир". Вселенная, по Ньютону, состоит из движущихся тел и пустоты. Пространство - это вместилище тел, время - длительность процессов. Пространство и время не связаны ни между собой, ни с движущимися материальными объектами. Вселенная была создана однажды, в виде некоего "первооблачка".
Изучение живой природы в этот период состояло в большей мере в накоплении фактов, чем в их интерпретации. Развитие наук о животных и растениях было обязано многочисленным путешествиям, которые предпринимались с торговыми и культурными целями, а описание животных и растений было делом попутным. Путешественники, которые описывали природу, не имели специальных навыков и знаний, поэтому описания одних и тех же видов сильно отличались друг от друга. Но, тем не менее, описательный материал накапливался и требовал приведения его в какую-то систему.
Первые попытки классификации живых организмов носили произвольный характер. Зачастую в них виды животных и растений перечислялись в алфавитном порядке и о каждом сообщалось все, что было известно. Первая такая классификация-сводка была сделана швейцарским ученым Геснером в 1551-1560 гг. Позже такие описания стали сопровождаться рисунками и появились атласы животных и растений, в которых предпринимались попытки группировки видов по наиболее характерным признакам (в основном морфологическим): Брунфельс, Бок, Баучин. Так начались поиски биологических критериев для классификации живых организмов. Ботаник Рэй (1628-1705 гг.) вслед за Аристотелем вводит понятие "вид", характеризуя его "как форму, никогда не возникающую из семян другой формы". Так он вычленил основную таксономическую (классификационную) категорию живой природы.
Изобретение микроскопа Гуком (1653-1703 гг.) способствовало микроскопи-ческому изучению как различных видов растений, так и отдельных их органов. Было установлено, что все организмы состоят из клеток, что они различны в связи с различными функциями в целом организме. Было сформулировано понятие ткани как группы сходных по строению и функциям клеток. Это положило начало науке гистологии. Затем были заложены основы цитологии, анатомии растений и отчасти животных. Выявление сложности строения организмов поставило вопрос "как они возникают". Впервые Везалием (1514-1564 гг.) был опубликован труд по анатомии человека. Позже его ученик Фаллопий заложил основы эмбриологии, указав на ряд отличий между взрослым организмом и зародышем. Гарвей (1578-1657 гг.), изучая работу сердца, заложил основы физиологии человека. Таким образом, биология из чисто описательной науки становится экспериментальной.
Однако господство механицизма и общие метафизические воззрения на природу, недостаточная техническая оснащенность экспериментов задерживали развитие биологии, а зачастую приводили к возникновению неверных толкований экспериментальных данных. Так в эмбриологии возникает теория преформизма (вложение зародыша), по которой никаких качественных изменений зародыша не происходит, а он в готовом виде находится в половой клетке и в течение эмбрионального периода только растет, то есть изменяется количественно.
Отражение механицизма находим и в трудах шведского натуралиста К. Линнея (1707-1778 гг.). Всю природу он разделил на минералы, растения и животных. Он расширил понятие "вида" Рэя, выделив три основных его критерия: морфологический, физиологический и географический. Он создает свою классификацию живых организмов и вводит в биологию двойные латинские названия, которые сохранились до сих пор. Но Линней не видел связи между отдельными таксономическими единицами живых организмов и лишь пытался объяснить принцип организации живой природы. Линнея в биологии приравнивают к Ньютону. Поэтому период XVII-XVIII вв. называют Ньютоно-Линнеевским. Но даже метафизическая в сущности система органического мира Линнея уже содержит зародыш краха механицизма в науках о живой природе. Иерархический принцип построения систематики как бы предвосхитил идею единства происхождения близких видов, то есть эволюционную идею. А открытие Ньютоном закона всемирного тяготения говорило о существовании единства неживой природы на основе взаимосвязей между ее объектами.
Развитие науки и глобальные естественнонаучные революции
С приходом экспериментального метода в исследования вместо описательности стали говорить о научности картины мира. Многие положения о сути жизни, строении Вселенной стали находить экспериментальное подтверждение.
Наука по своей природе является итогом, совокупностью знаний о природе, обществе и мышлении, накопленных в ходе истории человечества. В. Вернадский выделил в каждом знании следующие элементы: логику, математику, научные факты, гипотезы и теории. Наука возникает и развивается на основе практической деятельности человека. Однако она отличается от художественного творчества, здравого смысла тем, что научное положение обязательно обосновывается системой доказательств. Научная истина - это не только факты и обобщения, но и законы, объясняющие их, опирающиеся на них.
На каждом этапе истории общества наука представляет достаточную в данное время ступень осознания законов действительности. Совокупность этих законов, связывающих все объективные явления в природе, получила название единой научной картины мира. Таким образом, под научной картиной мира понимают систематизированные, исторически полные образы и модели природы и общества.
Мир окружающей нас природы огромен и разнообразен, чтобы его понять, мы от частных знаний о явлениях и закономерностях природы пытаемся перейти к общим, используя Ньютонов метод индукции. На протяжении всей истории развития человечества ученые сначала неосознанно, а позже целенаправленно искали единое начало, которое должно составлять ту основу, из которой путем вдумчивой дедукции можно вывести картину всех явлений природы, в том числе и явления жизни. Поисками такого единого начала занимались все ученые во все времена. Проблема принципиального единства всего естествознания, включая физику, химию, биологию и психологию, является извечной и животрепещущей проблемой естественнонаучного познания картины мира. "Было бы поистине чудом, если бы человек сумел открыть общую основу всех наук. Мы стремимся к такой цели, хотя и можем привести веские аргументы против ее достижения"[5] (Эйнштейн, 1956). Поиски единства осуществлялись и осуществляются прежде всего на основе математических знаний. Все ученые единодушно считают, что искомое принципиальное математическое единство всего естествознания, отражающее заведомо необходимую всеобщую гармонию самой Природы, может и должно выражаться, прежде всего, именно в математическом единообразии. Оно возможно на всех четырех последовательных основных уровнях естественной самоорганизации Природы: физическом, химическом, биологическом и человеческом, то есть интеллектуальном. Сам разум человека не должен выпадать из научной систематизации Природы, из ее общей математической гармонии.
Необходимо отметить, что в каждый период развития человечества формировалась научная картина мира, которая отражала сущность объективного мира в точном соответствии с состоянием науки в данный момент истории. Кроме того, научная картина мира всегда содержит и нечто неустановленное, гипотезы, необъяснимые с позиций данной картины мира. Именно эти "трудные места" в ней чаще всего привлекают ученых и стимулируют их исследования. А это и приводит к великим, эпохальным открытиям, изменяющим многие представления об окружающем мире, то есть они лежат в основе формирования новой научной картины мира. В истории человечества отмечается четыре таких основополагающих этапа, которые носят название глобальных естественнонаучных революций.
Первой такой революцией, преобразовавшей астрономию, космологию и физику, было создание последовательного учения о геоцентрической системе мира. Начата она была в VI в. до н. э. Анаксимандром, а завершена в IV в. до н. э. Аристотелем, создавшим геоцентрическую систему мировых сфер. Это был первый этап на пути объективизации естествознания. В своей теории Аристотель впервые дополнил видимую полусферу неба, ограниченную горизонтом невидимой. Пришлось признать наличие антиподов, то есть обитателей противоположной половины, а также равноправность их наблюдений. Подтверждение этой модели было получено только в XV-XVI вв. н. э. после первого кругосветного путешествия.
Вторая глобальная естественнонаучная революция, подвергшая дальнейшему преобразованию прежде всего астрономию, физику и космологию, связана с переходом от геоцентризма к гелиоцентризму Вселенной, а позже - к полицентризму. Это был переход от частного учения непосредственно наблюдаемой конечной околосолнечной планетной системы к общему учению о всем потенциально бесконечном иерархическом звездном мире, с действующим в нем всеобщим законом всемирного тяготения Ньютона.
Третья глобальная естественнонаучная революция привела к радикальному преобразованию астрономии, физики и космологии и означала полный отказ от всякого центризма. Эта революция ознаменовалась созданием общей теории относительности Эйнштейна (1915-1916 гг.), которая объединила теории пространства, времени, гравитации. С этого момента Метагалактика - или вся наша наблюдаемая астрономическая Вселенная как целое - стала описываться однородной и безграничной космологической моделью.
Эти три глобальные революции носят имена ученых, труды которых имеют эпохальный характер: Аристотелевская, Ньютоновская, Эйнштейновская.
Четвертая глобальная естественнонаучная революция связана с необходи-мостью доказательства всех фундаментальных физических взаимодействий - гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного. Одна из проблем физического завершения этой революции заключается в необходимости доказательства относительности не только поступательного движения (что сделал Эйнштейн), но и вращательного движения всех субстанций, вплоть до элементарных частиц, так как кварки и антикварки имеют постоянный по величине, но противоположный по знаку момент вращения (спин). Кварки - это в современной физике гипотетические частицы, из которых предположительно могут состоять все известные элементарные частицы, способные к сильным взаимодействиям. Косвенно в настоящее время обнаружено 5 типов кварков, в свободном состоянии они не наблюдались. Гипотеза об их существовании была высказана в 1964 г. американским физиком Гелл-Маном и австрийским физиком Цвейгом. Само слово имеет литературное происхождение и заимствовано из романа Дж. Джойса "Поминки по Финегану", где оно означает "неопределенное, мистическое", в поведении кварков это связано с тем, что, по-видимому, они обладают дробным электрическим зарядом.
Таким образом, мы можем сказать, что смена научной картины мира тесным образом связана с величайшими научными открытиями, которые в корне меняют представления человека об окружающем его мире, его устройстве и развитии.
Методология познания в естественнонаучной картине мира
Содержанием естественнонаучной картины мира являются, таким образом, основные идеи наук о природе, принципы, закономерности, не оторванные друг от друга, а составляющие единство знаний о природе, определяющие стиль мышления в науке на данном этапе ее развития и культуры в целом. Так на арену развития научной мысли выходит методология познания.
Методология - это учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. Это необходимый компонент всякой деятельности. Учение о принципах построения, формах и способах научно-познавательной деятельности. Методология - это философское учение о методах познания и преобразования действительности. Это применение принципов мировоззрения к процессу познания, к духовному творчеству и практике. Это осмысление мира при критическом исследовании методов познания, разработка методов исследования на основе обобщения развития и творчества в целом, их теоретическое обоснование, выявление их места в системе средств познания, взаимосвязь методов различных наук. Метод как способ научного познания уравнивает способности людей, делает их деятельность единообразной, что является необходимой предпосылкой для получения единообразных результатов всеми исследователями. Но выбор методов во многом зависит от методологии познания.
Впервые основы методологии были заложены Аристотелем в "Метафизике", где открытые им формы и закономерности мышления получили значение норм для всякого последующего научного исследования и построения систем на многие века вперед.
В научном познании существует два основных методологических направления - идеализм и материализм. В зависимости от выбранной методологии познания ученый и выбирает методы достижения цели при решении конкретных задач.
Идеализм - это философское учение, утверждающее, что дух, сознание, мышление, психическое - первично, а материя - вторична. Идеализм возник более 2,5 тыс. лет назад. Он может быть объективным, когда считается, что духовное первоначало существует вне и независимо от человеческого сознания, и субъективным, когда духовное первоначало существует только в сознании субъекта.
Материализм - это философское направление, в основе которого лежит представление, что мир материален, существует объективно, вне и независимо от сознания человека; материя первична и ни кем не создана, существует вечно, а сознание и мышление - свойства материи, вторичны; мир и его закономерности познаваемы. Он возник в XVII в. как физическое учение, а в XVIII в. - признан философским направлением.
Именно выбор методологии лежит в основе объективных представлений об окружающем мире и является ареной идеологической борьбы в разработке естественнонаучной картины мира.
Многие ученые древности, эпохи Возрождения, а также XVII-XVIII вв. признавая материальность мира в вопросах поиска причин движения, его всеобщности и неотрывности от материи, приходили к идеализму, находя начало всеобщего движения в первотолчке. Такое признание равноправия двух начал - духа и материи - носит название дуализма (двойственный). Одним из самых типичных дуалистов античности являлся Аристотель. Он в решении вопроса о причинах движения материи отступает от материализма и признает, что главной движущей силой в природе является стремление к усовершенствованию - телеология, которое обеспечивает особая субстанция - энтелехия (нематериальное, фантастическое начало). В этом выразилась непоследовательность Аристотеля как философа-материалиста, хотя он признавал единство живой и неживой природы, видя единое простейшее начало (атом). Яркими представителями дуализма, но на идеалистических началах являлись Платон и позже Декарт. У Платона: тело зримо и ощутимо, душа (дух) незрима и неощутима. Тело, само по себе, неподвижно, душа заключает в себе движение, тело погибает от внешних причин, душа - нет. Душа во всем противоположна телу и есть существо неразложимое, неразрушимое, бессмертное и божественное.
По Декарту: существует субстанция двух родов - духовных и телесных. Основное свойство (атрибут) духовной - мышление, телесной - протяжение, дух и материя только конечные субстанции и в конечном итоге оба восходят к богу или бесконечной субстанции.
Во взглядах на человека в рамках дуализма существовала концепция психофизического параллелизма, то есть психическое и физическое существуют в человеке как два параллельных явления. В современных условиях тело и душа рассматриваются как два дополняющих друг друга способа проявления органической жизни.
В познании законов развития природы и человеческого общества выделяют такие методы как метафизика - метод, исходящий из количественного понимания развития и отрицающий саморазвитие, и диалектика - метод познания действительности в развитии и самодвижении. Само движение в диалектике осуществляется на основе внутреннего противоречия предмета. Диалектика признает постоянное становление и развитие явлений материального мира. Развитие в диалектике - не просто движение, под которым понимается любое изменение, а движение, конечным результатом которого является восхождение от простого к сложному, от низшего к высшему. Важнейшие категории диалектики: противоречие, количество и качество, случайность и необходимость, возможность и действительность. Определены три основные закона диалектики: единство и борьба противоположностей; переход количества в качество; отрицание отрицания.
Элементы диалектики в форме признания мира в постоянном движении, вечном возникновении и уничтожении были свойственны многим философским школам Китая и Индии, откуда они перешли в учение античных философов. В XVIII-XIX вв. возникает идеалистическая диалектика (признающая всеобщность движения при наличии первотолчка), позже появляется материалистическая диалектика. Уже у античных философов ставится проблема причинности (или факторов) развития. При решении этого вопроса ярко раскрываются особенности сторонников идей материалистического и идеалистического развития мира и природы. Первоначальная материалистическая трактовка причин движения выражалась в признании того, что все тела неживой и живой природы побуждаются к развитию своей внутренней особенностью - эндогенез. В этом заключается идея того, что причины движения надо искать в самой материи. Дальнейшее развитие материалистического объяснения причин движения связано с атомистами. Демокрит считал, что причина развития лежит в самой материи и заключается в движении атомов. Позже Эпикур (300 г. до н. э.) и Тит Лукреций Кар (60-е годы до н. э.), признавая несколько типов движения атомов, выделили самопроизвольное их движение как основу развития материи. С методологической точки зрения особенно интересны идеи Гераклита о движении, развитии как результате борьбы противоположностей.
В период господства механистической естественнонаучной картины мира разработка научной методологии является центром теоретической мысли. Поиски правильного, философски обоснованного метода стоят в центре исканий таких ученых, как Ф. Бэкон, Р. Декарт и И. Ньютон. Значение методологии в этот период подчеркивается тем, что сама философия стремится к естественнонаучной системности и точности.
В это время Ньютон изложил методологические концепции естественно-науч-ного познания:
- - не принимать иных причин явлений, кроме тех, которые достаточны для объяснений; - аналогичные явления относить к одной и той же причине; - считать свойствами тел те, которые присущи всем доступным эксперименту телам.
Стремясь к системности и точности, философия в качестве образца использует математику. Механицизм выступает в качестве методологии естествознания, а математика дает единственный язык, на котором могут объясняться физики, химики и представители других наук. Еще Аристотель писал, что число есть промежуточное между частным предметом и идеей, а Галилей полагал, что "Книга Природы" написана языком математики. Не имея непосредственного отношения к реальности, математика не только описывает эту реальность, но и позволяет делать новые интересные и неожиданные выводы о реальности из теории, которая представлена в математической формуле. Истинность математики и ее пригодность для естествознания связаны с тем, что, по выражению Пуанкаре, механизм математического творчества не отличается от механизма какого-либо иного творчества. Но, по мнению многих методологов, законы природы нельзя сводить к написанию на бумаге математических соотношений. Эти соотношения надо понимать как вид организованности идеальных прообразов вещей или пси-функции. Было выделено три вида организованности: простейший - числовые соотношения; более сложный - ритмика 1-го порядка, изучаемая математикой теории групп; самый сложный - ритмика 2-го порядка - это "слово". Два первые вида организованности наполняют Вселенную мерой и гармонией, а третий - смыслом.
Проникновение в естествознание диалектических идей постепенно вытесняет метафизический метод познания. Развитие биологии на основе диалектических методологических представлений выявило не состоятельность идей механицизма.
Позже немецкий философ И. Кант выдвигает идею "трансцендентной методологии", которая должна вскрыть формальные условия системы чистого разума, в пределах которой только и возможна строгая наука. Кант отождествил границы разума с границами логики и отрицал ее объективность. Он анализирует структуру субъекта для решения вопроса, что же такое истинное знание, так как до него считали, что субъективное начало - помеха познанию. Отсюда и задача - установить различия субъективного и объективного элементов знания. Кант ищет эти элементы в самом субъекте и выделяет два уровня субъекта: эмпирический и трансцендентальный. К первому он относит индивидуально-психологические особенности человека, ко второму - всеобщие определения, составляющие принадлежность человека как такового. И именно второй уровень обусловливает объективность знания, так как является надиндивидуальным началом человека. В своей философии Кант переходит от метафизики субстанции к теории субъекта. Для него деятельность субъекта - основа познания, а предмет исследования - следствие. В основе теории познания Канта лежит формула "мы можем познать только то, что сами создали". Так как по Канту рассудок конструирует предмет сообразно формам мышления, это объясняет, почему предметы согласуются с нашими знаниями о них.
На смену критической (по отношению к механистической методологии) методологии Канта пришла методология Гегеля. Он показал, что логика развития есть объективная диалектика. Но объект логики он представил как абсолютно всеобщее, идею. Поэтому у Гегеля "Наука логики" рассматривается как методология, в которой систематически развертываются категории его метода - идеалистической диалектики.
Процесс формирования научной методологии завершился созданием диалектического материализма. Возникнув в условиях всестороннего развития науки, когда научное естествознание полностью освободилось от натурфилософских умозрений и опираясь на конкретно-научные теории основных форм движения материи, диалектический материализм стал философией нового типа - наукой о наиболее общих законах развития природы, общества и мышления, а в качестве таковой - общей методологией научного исследования любой конкретной науки. Диалектический материализм в современных условиях является содержательной логикой познавательного процесса - диалектической логикой. Диалектико-материалистическая методология не догма или серия рецептов, а руководство для живого, творческого процесса познания и преобразования мира в соответствии с его законами.
Таким образом, методология помогает уточнить и развить понимание естественнонаучной картины мира. С развитием науки степень познания ее законов изменяется и углубляется. Знания людей становятся все более соответствующими объективной реальности.
Электромагнитная картина мира
XIX в. стал эпохой в крушении механистической картины мира, которая в своей основе содержала разобщенность всех тел и явлений природы. Впервые Линней попытался формально объединить эти разобщенные тела в живой природе, а Ньютон пытался провести объединение и описать деятельность всех живых систем на основе своих законов механики, но в рамках механицизма это оказалось невозможным. Физики нуждались в смене физической картины мира и в существенном изменении представлений о материи, так как если бы мир был заводной гигантской игрушкой, то такая машина по законам термодинамики неизбежно должна была бы остановиться в связи с тем, что запас полезной энергии рано или поздно был бы исчерпан. Необходима была замена корпускулярных представлений о материи новыми, которые нашли отражение в континуальном (непрерывном) принципе описания природы. Такая замена была связана с изучением электрических и магнитных явлений. Поэтому новая естественнонаучная картина мира и получила название электромагнитной. В основе этой картины мира лежит представление об электромагнитном поле как о материальной среде, как о непрерывной материи, занимающей пространство. Почему открытие электромагнитной индукции привело к изменению взглядов на мир? Опытным путем было установлено, что при помещении магнита в катушку в ней возникает ток, то есть изменение магнитного поля порождает электрическое поле, которое существует в пространстве, занимаемом катушкой. В то же время при пропускании тока по проводнику возникает магнитное поле. Таким образом, электрополе и магнитное поле порождают друг друга, но могут существовать и независимо друг от друга. Согласно электромагнитной теории такие поля существуют в пространстве независимо от того, есть ли там электрические заряды и магниты или нет. По представлениям Максвелла весь мир заполнен электромагнитным эфиром, то есть силовые поля - это материальная субстанция. В мире нет пустоты, эфир является носителем электрических, магнитных и электромагнитных полей. На этом этапе все законы природы стали объяснять с позиции законов электромагнетизма, по которым вещества состоят из электрически заряженных частиц - атомов. Атом стал представляться делимой частицей, состоящей из частей с разноименными электрическими зарядами. С этой позиции стали понятными такие свойства атомов как валентность, излучаемый спектр. Позже делимость атома, его сложное строение подтвердились открытием электронов, рентгеновских лучей, радиоактивности. Была создана планетарная модель атома Резерфордом (1911), по которой ядром является положительнозаряженные протоны и вращающиеся вокруг них отрицательнозаряженные электроны. По системе таблицы Менделеева порядковый номер элемента равен положительному заряду ядра и количеству электронов вокруг него. В этой модели представлена диалектическая сущность атома как материального объекта: единство противоречивых субатомных частиц (электрона и протона) и переход от количества (число электронов и протонов) в качество (иные физические и химические свойства). На основе электромагнитных взаимодействий стало возможным объяснить тепловые и химические явления.
Позже, опытами Майкельсона, было опровергнуто наличие "эфира", в котором распространяются электрические и магнитные поля. Он пришел к выводу, что свет тоже является электромагнитным полем и еще одним видом материи. Для его распространения нет необходимости в наличии особой среды - эфира.
Изучение природы различных полей привело Эйнштейна к идее единого элементарного поля и к созданию теории относительности, в основе которой лежит постулат, что поле - это специфическая форма материи, осуществляющая перенос действий от одних заряженных частиц к другим. Это положение было подтверждено открытием взаимопревращения частиц вещества и элементов электромагнитного поля - фотонов. В своих размышлениях Эйнштейн пытался представить себе, что такое электромагнитное поле для наблюдателя, который летит за ним со скоростью света (300 тыс. км/с). Из этого он вывел важнейший физический постулат - луч света нельзя догнать; все, что движется со скоростью света, переходит в излучение. Свойства поля, факт изменчивости свойств частиц, их зависимости от движения он выразил в формуле соотношения энергии и массы: Е = mc2. Эти постулаты Эйнштейна позже были подтверждены работами русского физика Лебедева по изучению светового давления, а в современных условиях - экспериментами на ускорителях элементарных частиц при изучении их физических свойств. Теория относительности Эйнштейна показывает возможность взаимозависимости между энергией и материей: при очень больших энергиях частицы становятся неустойчивыми и превращаются в другие, более устойчивые в этих условиях.
Таким образом, электромагнитная картина мира отличается от механисти-ческой концепцией взаимосвязи всех явлений и процессов в природе через единство поля. В биологии идеи взаимосвязи между организмами и их эволюцией в пространстве и времени первым обосновал Ч. Дарвин, выразив процесс развития в формировании общей геохронологической картины эволюции.
В этих двух естественнонаучных картинах мира есть как общие, так и различные черты. Общим для них является признание существования неких материальных точек (тел или точечных зарядов), которые взаимодействуют друг с другом. "Поведение" всех объектов материального мира от физических до биологических, таким образом, является детерминированным. Основное же различие лежит в представлении о материи: в механистической - она дискретна, в электромагнитной - непрерывна. Однако сама электромагнитная картина мира, давшая толчок в создании теории относительности и планетарной модели атома, породила ряд противоречий, которые, в конце концов, привели к ее гибели.
Развитие электродинамики показало, что движущийся вокруг ядра атома электрон излучает энергию и должен, в конце концов, упасть на ядро. В 1913 г. Н. Бор предположил, что электрон, вращаясь вокруг ядра, излучает энергию непостоянно и что в атоме есть пути, на которых он не растрачивает энергию. Позже эти пути были названы стационарными орбитами, и только при переходе с одной орбиты на другую атом излучает энергию в виде кванта света. Так родилась квантовая механика. Квант - это минимальное количество, на которое изменяется любая физическая величина (действие, энергия и др.). С этого момента модель атома носит имя Резерфорда-Бора, и по ней стало возможным объяснить периодические изменения свойств атомов химических элементов. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль предложил рассматривать дискретное состояние атома как волновое явление, что объяснило, почему на стационарной орбите электрон не излучает энергии, так как стоячая волна не излучает и не поглощает энергии. Изучение волновых свойств частиц показало, что движение электронов не подчиняется законам Ньютона, так как они имеют двойную природу: корпускулярную и волновую (корпускулярно-волновой дуализм). Именно двойственная природа элементарных частиц свела воедино два противоречивых свойства материи: дискретность и непрерывность.
В современных условиях на ускорителях элементарных частиц экспериментально получают все новые и новые частицы, которые способны к различным взаимопревращениям. Атом действительно оказался неисчерпаем. Собственно и частицы нельзя назвать частицами. По выражению советского физика Ильченко, "в современной картине мира элементарная частица - это простейший элемент данного поля".
В биологии идеи квантовой механики оказались приложимы к разгадке гена. Было установлено, что ген, как и атом, дробим, и его части, расположенные линейно, могут самостоятельно изменяться.
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причин-ности является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде статистических законов, что соответствует более глубокому уровню познания природных закономерностей. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга, сливаются в единый пространственно-временной континуум, зависящий от материи. Постепенно в естественнонаучной картине мира утверждается принцип глобального эволюционизма.
Современная естественнонаучная картина мира
В ходе исторического развития создавались различные естественнонаучные картины мира, сменяющиеся одна другой по мере накопления знаний человеком. В конце ХХ в. были совершены открытия в естествознании, которые носят поистине революционный характер и лежат в основе создания современной естественнонаучной картины мира:
- - астрономия - модель Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной; - геология - тектоника литосферных плит; - физика - смещение точки отсчета от материи к энергии и от вещества к полю; - теория относительности - относительность пространства и времени; - квантовая механика - корпускулярно-волновой дуализм; - биология - модели происхождения жизни; - генетика - механизм воспроизводства жизни; - экология - взаимодействие живого со средой; - этология - формы поведения организмов; - социобиология - соотношение естественного и социального; - кибернетика - управление в живой и неживой природе; - психология - роль бессознательного в человеческой психике.
Эти революционные открытия позволили сформулировать общие закономернос-ти развития естественнонаучной картины мира:
Эволюция природы (от Вселенной до кварков).
Самоорганизация (от неживых систем до биосферы).
Системность связи неживой природы, живой природы и человека (экология).
Имманентность природных систем пространству и времени (в теории относительности).
Относительность разделения на субъект и объект.
Появились новые общенаучные концепции: системный (предмет как система), структурный (изучение уровней организации), вероятностный.
На основе этого и была создана современная естественнонаучная картина мира (табл. 1), в которой объединены уровни организации матери и части пространства, которыми они представлены; науки, изучающие те или иные уровни организации и виды эволюции, в результате которых образовались эти уровни организации.
Таблица 1 - Современная естественнонаучная картина мира (Горелов, 1997)
|
Уровни Организации |
Часть Пространства |
Наука |
Вид Эволюции |
|
Вселенная Галактика Звездные системы Планета Биосфера Сообщество Популяция Вид Индивид Клетка Молекула Атом Элементарная частица Кварк |
Мегамир
Макромир
--- " --- Микромир
--- " --- |
Космология Астрономия --- " --- Геология Экология Этология
Генетика Химия Физика
|
Космическая
Геологическая Экологическая Биологическая
--- " --- Химическая Физическая
|
Таким образом, научная картина мира в процессе исторического развития претерпела значительные изменения, которые были связана с ростом знаний человека об окружающей природе, о себе самом и о своем положении в единой системе живой и неживой природы. В своем развитии она прошла путь от преднаучной, когда нехватка знаний дополнялась умозрительными заключениями или мифами, до эволюционной, в которой развитие Природы описывается на основе синергетики и глобального эволюционизма.
В современной картине мира ведущее место отводится саморазвитию в природе, в ней присутствует человек и его мысль и естественнонаучное знание неразрывно с гуманитарным. Важнейшая особенность современной естественнонаучной картины мира - необратимость эволюционного процесса. Эволюция Вселенной, начиная с точки Большого Взрыва (точка сингулярности), шла по пути увеличения разнообразия мира, создания новых частиц, которые не существовали изолированно, а объединялись в новые целостности - атомы, молекулы, клетки и т. д., упорядоченно функционирующие по своим законам. Аналогично увеличение разнообразия науки должно сопровождаться интеграцией и ростом упорядоченности, а это связано со становлением науки как целостной интегративно-разнообразной гармоничной системы. Для современной науки становится характерной тенденция экологизации. Дальнейшее развитие естественнонаучной картины мира связано с тем, что наука станет более органичной частью культуры, и вся культура будет развиваться как одно целое и часть биосферы, становясь экологичной культурой.
Понятие материи. Движение - форма существования материи
Изучая все процессы и явления, проходящие на нашей планете, позже, проникнув в глубины космического пространства, человек пытался осмыслить единство мира, найти общую основу многообразия явлений, процессов, событий, происходящих вокруг. Сначала эта общая основа была названа философами субстанцией, которая обозначает внутреннее единство многообразия конкретных вещей, событий и явлений, посредством которых и через которые она существует. Под субстанцией понимали и материю, и дух.
В современном естествознании господствует диалектический материализм, согласно которому первична материя и весь мир вокруг нас материален. Диалектический материализм определил материю как объективную реальность, которая дана человеку в ощущениях, которая копируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. Из этого определения вытекает общий признак, который характеризует любые виды материи независимо от того, познаны они или еще нет. И этим общим признаком является свойство быть объективной реальностью и существовать вне нашего сознания.
В этом признаке предполагается неисчерпаемость материи, а представления о конкретной структуре и строении складываются в процессе познания и практики.
В основе современных научных представлений о строении материи лежит идея ее сложной системной организации. Любой объект материального мира может быть рассмотрен в качестве системы, то есть особой целостности, которая характеризуется наличием элементов и связей между ними. Системность предполагает изучение отдельно взятых объектов, процессов и явлений во взаимосвязи с другими. Это общий подход, основанный на том, что Вселенная в доступной человеческим наблюдениям области предстает как самая крупная из известных науке систем, имеющая свою историю от возникновения до наших дней и далее. На определенных этапах своего развития Вселенная создает разномасштабные подсистемы, характеризуемые открытостью и неравновесностью. Внешней средой для системы данного масштаба служит материнская система более крупного масштаба, с которой она обменивается энергией и веществом. Внешней средой вещественной Вселенной, скорее всего, выступает физический вакуум. Любая подсистема Вселенной, например, галактика, Солнечная система, планета, биосфера, человек и др., предстает как цельное естественное тело, обладающее определенной автономией и собственным путем развития, но остающееся неотъемлемой составной частью целого.
Разбирая процесс образования и эволюции Вселенной, мы выделили основные уровни организации неживой и живой природы: микро-, макро - и мегамиры. Материальные системы всегда взаимодействуют с внешним окружением. Некоторые отношения и связи элементов в этом взаимодействии меняются, но основные связи сохраняются и это основное условие существования системы как целого. Устойчивые связи (инварианты) и отношения между элементами системы и образуют ее структуру.
Любой объект материального мира уникален и нетождествен другому. Но, не смотря на уникальность объектов, они все же обладают общими признаками строения. Все разнообразие атомов устроено по единому плану - ядро и оболочка из электронов. Общий план строения и у молекул: от самых простых (водород), до белковых, это ядра атомов соединенные общими электронными оболочками. Клетки всех организмов тоже имеют единый план строения. Наличие общих признаков организации позволяет объединить различные объекты в классы материальных систем. Эти классы называют уровнями организации материи или видами материи. Все уровни материи генетически связаны между собой. Все материальные объекты делят на неорганические (неживая природа) и органические (живая природа, то есть по принадлежности организмам). Все они находятся в тесной взаимосвязи между собой, образуя в современной Вселенной единое целое. Возникновение человека привело к созданию "второй природы" или искусственной. Человек создал такие предметы и процессы, которые нереальны в природной среде. Эволюция искусственной природы возможна только в рамках человеческого общества, но оказывает огромное, все возрастающее влияние на естественную природу и на все процессы в биосфере, а в настоящее время и в ближайшем космосе.
История человечества - это особый этап развития материи, который и ставит вопросы возможности существования иных цивилизаций, путей их развития и космического будущего человечества.
Материальное единство мира имеет в своей основе двойственную природу: во-первых, материя имеет дискретное строение, то есть в ней есть различные вещи, процессы, явления и системы; во-вторых, иерархия отношений между системами выражается во включении менее сложных систем в более сложные и возникновении в более сложных специфических закономерностей, которые не сводятся к сумме менее сложных систем, входящих в более сложные.
Познание процессов развития живой и неживой природы приводит к пониманию, что в основе всего многообразия существующих явлений и процессов лежит движение материи. В науке исторически сложилось две концепции в понимании движения: 1) диалектическая, согласно которой движение есть способ существования материи и 2) метафизическая. Согласно первой концепции вне движения нельзя даже мысленно представить себе ни один материальный объект. Все, что можно сказать об объектах в конечном итоге сводится к раскрытию присущих ему движений. Вторая концепция имеет два подхода: а) метафизический субстанциализм, для которого объект - есть нечто само по себе, вне присущих движений; движение - нечто внешнее, налагающееся на объект, то есть субстанция абсолютизируется; б) идеалистический релятивизм, который отрицает субстанцию вообще и провозглашает чистое движение, существующее без носителя, здесь абсолютизируется дижение.
Естествознание рассматривает существование любого материального объекта только благодаря взаимосвязи образующих его элементов. Такая взаимосвязь приводит к изменению свойств, отношений и состояния. Изменение - это и есть движение. Поэтому под движением нужно понимать не только механическое перемещение тел в пространстве, но и любые взаимодействия, а также изменения состояний объектов, которые вызываются этими взаимодействиями. Движение - это и взаимопревращение элементарных частиц, и расширение Метагалактики, и обмен веществ в клетках, и обмен деятельностью между людьми в процессе их совместной жизни. Движение внутренне присуще материи. Оно также абсолютно, как абсолютна и сама материя. То есть, ведущим является диалектический подход и движение - есть способ существования материи.
Говорить о покое можно лишь относительно какой-то определенной точки отсчета. Здание покоится относительно поверхности Земли, но вращается совместно с ней вокруг оси и перемещается в пространстве относительно Солнца, а вследствие вращения Солнечной системы вокруг ядра галактики перемещается и оно, в результате расширения Вселенной вместе с галактикой удаляется от других галактик. Покой обозначает состояние движения, которое определяет стабильность предмета, сохранение его качеств. Поэтому покой относителен, а движение абсолютно.
Основные типы движения:
- - движение, связанное с сохранением устойчивости предмета, его качеств: если принять во внимание постоянное движение электрона, то любая вещь в каждый конкретный момент изменяется или не тождественна себе (по Гераклиту "в одну и ту же реку нельзя войти дважды"), то есть в данном случае любая вещь рассматривается как процесс, в этом проявляется противопоставление вещи и процесса, устойчивости и изменчивости, но при этом качество предмета остается неизменным; - движение, связанное с изменением качественного состава предмета: в одном случае это связано с его разрушением (древесину сожгли и остались угли и зола), в другом - из ряда предметов посредством их соединения образуется отличная по качеству новая система (два газа - кислород и водород, - соединяясь, дают новое качество - жидкость); в этом случае движение называют развитием.
Развитие - это особый вид изменения, являющийся необратимым и обязательно включающий в себя качественные преобразования. Оно характеризуется направленностью, поступательностью, преемственностью, моментами повторяемости, отрицанием старого и появлением нового, то есть развитие - это всегда процесс.
Развитие, как движение материи, имеет две разновидности:
1 Процесс качественных превращений, не выходящих за рамки соответству-ющего вида материи, определенного уровня организации: эволюция звезд, образование новых видов растений или животных и т. д.;
Процесс перехода от качества одного уровня материи к качеству другого уро-вня: переход от элементарных частиц к атомам и молекулам, от неорганической природы к органической, становление человека (разума) и развитие общества.
Форма движения материи, их взаимосвязь
Соответственно с иерархией форм материи существуют и разнообразные формы ее движения.
По Ф. Энгельсу формы движения могут быть:
- - соотносимыми с уровнем организации материи: каждому уровню организации соответствует своя форма движения; - между формами существует генетическая связь: высшие возникают на базе низших; - высшие формы качественно несводимы к сумме низших.
Всего выделяют пять форм движения материи: механическая, физическая, химическая, биологическая и социальная. Их все можно разбить на три блока в зависимости от этапа развития материи: неживая природа (физическая и химическая); живая - биологическая и общество - социальная. Первая форма присуща всем уровням развития материи и является поэтому всеобщей.
Попытка сведения сложных форм движения материи к простым - механицизм.
Прослеживая связь между различными формами движения материи, была создана целостная картина развития Вселенной: возникновение различных уровней организации материи ведет к развитию все новых форм движения. В момент Большого взрыва, когда не было атомов и молекул, не было и форм движения, присущих им; в ходе физической и химической эволюции возникают и соответствующие им формы движения материи. Формирование галактик и планетных систем привело к возникновению сложных полимерных молекул - носителей жизни, сложились предпосылки к возникновению биологической формы движения, в связи с этим жизнь рассматривается как космическое явление. В процессе эволюции живой природы возникает социальноорганизованная материя и соответствующая ей форма движения, а следовательно, и она является космическим явлением, хотя и ограничена в своем распространении во Вселенной.
Понятие пространства и времени
Анализ различного рода природных явлений вполне естественно ставит вопрос об их происхождении и изменении. Поэтому возникает необходимость пространственной и временной характеристик этих явлений и тем самым анализа категорий пространства и времени.
Пространство и время являются всеобщими формами существования всех материальных предметов и процессов. В этом качестве они стали предметом научных интересов человека из-за того, что весь мир разделяется на отдельные вещи, которые относительно самостоятельны, взаимосвязаны между собой и находятся в постоянном изменении.
Понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности. Все предельно общие свойства, выражающие структурную организацию материального мира, то есть свойства объектов быть протяженными, занимать место среди других, граничить с другими объектами, выступают как наиболее общие характеристики пространства.
Если свойства абстрагировать из действительности, отделить от самих материальных объектов, то мы получим представление о пространстве как таковом. Понятие пространства имеет смысл лишь постольку, поскольку сама материя дифференцирована, структурирована. Если бы мир не имел сложной структуры, не расчленялся на предметы, а эти предметы не членились на элементы, связанные между собой, то понятие пространства не имело бы смысла.
Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов. Объекты материального мира находятся в движении и развитии, они представляют собой процессы, которые развертываются по определенным этапам. В них можно выявить некоторые стадии, сменяющие одна другую. Смена этих стадий может характеризоваться некоторой повторяемостью, длительностью. Сравнение различных длительностей может стать основой для количественных мер, выражающих скорость развертывания процессов, их ритм и темп. Если эти характеристики абстрагировать от самих процессов и рассматривать длительность как самостоятельные признаки процессов, то мы получаем представление о времени как таковом. Поскольку мир находится в состоянии движения и развития, то понятие времени имеет смысл; без движения и развития понятие времени бессмысленно.
Исходя из выше сказанного, пространство и время - это общие формы координации материальных объектов и их состояний. Пространство - это совокупность отношений, выражающих координацию сосуществующих объектов, их расположение друг относительно друга и относительную величину (расстояние и ориентация). Время - это совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний (явлений), их последовательность и длительность.
В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи и безотносительно к свойствам движущейся материи. Это субстанциональная концепция пространства и времени. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время никак не учитывает реальные изменения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность. Кроме того, пространство и время как формы существования материи изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего их связь остается невыявленной.
В философии и науке пространство и время традиционно рассматривались как основные формы существования материи, ответственные за расположение ее отдельных элементов относительно друг друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений.
Для обыденного сознания характерно традиционное представление о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд привел к концепции абсолютного пространства и времени, получившей наиболее отчетливую формулировку в труде И. Ньютона "Математические начала натуральной философии". В нем пространство и время представлены как самодовлеющие элементы бытия, существующие вне и независимо от каких-либо процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. Данную концепцию называют концепцией "черного ящика". Этот взгляд близок к субстанциональной концепции пространства и времени, хотя они у Ньютона и не являются настоящими субстанциями, как материя. Они обладают лишь одним признаком субстанции - абсолютной самостоятельностью существования и независимостью от любых конкретных процессов. Но они не обладают возможностью субстанции порождать другие тела, сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Эти способности он оставлял лишь за материей, правда, и материя у Ньютона - вторична после Бога. Бог же внепространственен и вневременен, он неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Поэтому, когда прекратится существование мира, вместе с ним исчезнут пространство и время.
В Новое время Лейбниц выдвинул реляционную концепцию пространства и времени, в которой пространство рассматривается как порядок сосуществования тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Эта концепция противостояла пониманию пространства и времени как абсолютных и не зависящих ни от чего реальностей, подвластных только Богу.
Есть концепции (Беркли, Мах, Авенариус, Кант и др.), которые ставят пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно подле другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это стабильностью геометрии Евклида в течение двух тысячелетий.
Проблема пространства и времени была тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие представлялось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению. Концепция близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Фарадей, Френель) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Позже это привело к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.
Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физики, было унаследовано и развито далее в ХХ в., после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.
Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную кон-цепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование. Прежде всего, Эйнштейн отказался от абсолютного пространства Ньютона. Он определил, что каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени. Поэтому для Эйнштейна пространство и время приобретают ясный смысл только после указания тех экспериментальных процедур, с помощью которых можно их проверить. Тем не менее, определение расстояния и времени по отношению к какой-то системе отсчета не говорит о том, что эти понятия имеют произвольный характер, устанавливаемый субъектом. Субъект лишь устанавливает и точно определяет объективное отношение, существующее между процессами, совершающимися в разных системах отсчета. Таким образом, вместо абстрактных рассуждений об абсолютном движении в теории относительности рассматривают конкретные движения тел по отношению к конкретным системам отсчета, связанным с конкретными телами.
Кроме того, теория относительности установила связь обособленных в классической механике понятий пространства и времени в единое понятие пространственно-временной непрерывности, или континуума.
Наиболее выдающимся подтверждением теории относительности в разработке пространственно-временного континуума был отрицательный результат опыта американского физика А. Майкельсона, предпринятый для проверки гипотезы о световом эфире. Согласно господствовавшим воззрениям все мировое пространство заполнено эфиром - особым веществом, являющимся носителем световых волн. Вначале эфир уподоблялся механической упругой среде, а световые волны рассматривались как колебания этой среды, сходные с колебаниями воздуха при звуковых волнах. Но эта механическая модель эфира в дальнейшем встретилась с серьезными трудностями, так как, будучи твердой упругой средой, она должна оказывать сопротивление движению небесных тел, но ничего этого в действительности не наблюдалось. В этой связи пришлось отказаться от механической модели, но существование эфира как особой всепроникающей среды по-прежнему признавалось. Для того чтобы обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира, Майкельсон решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному направлению движения планеты и направлению, перпендикулярному к этому движению. Если существует эфир, то время прохождения светового луча по горизонтальному и перпендикулярному направлениям должно быть неодинаковым, но никакой разницы в опытах установлено не было. Это стало решающим экспериментальным доказательством того, что никакого эфира как абсолютной системы отсчета не существует.
Связав воедино пространство и время в континуум, Эйнштейн установил, что они выступают как предельно общие абстракции, в которых схватываются структурная организованность и изменчивость бытия. Это формы бытия материи и вне них она не существует. Современный диалектический материализм считает их объективными, не зависящими от человека, но при этом они неразрывны с самой материей и ее движением.
Взаимосвязь пространства и времени и движущейся материи
Как же осуществляется взаимосвязь пространства и времени и движущейся материи? Это объяснение было дано в теории относительности Эйнштейна, в которой он показал, что в реальном физическом мире пространственные и временные интервалы меняются при переходе от одной системы отсчета к другой. В физике система отсчета - это лаборатория с часами, линейками и другими инструментами, которые измеряют пространственные и временные характеристики материальных тел.
При равномерном и прямолинейном движении относительно друг друга (инерционное движение) пространственные интервалы (расстояния между двумя ближайшими точками) и временные интервалы (длительность событий) не меняются. Теория относительности показала ограниченность такого вывода. Он верен только в случае, когда скорости движения очень малы по отношению к скорости света. Но при увеличении относительной скорости движения системы отсчета пространственные интервалы сокращаются, а временные растягиваются. По этому положению, ракета, имевшая на старте фиксированную длину, при движении со скоростью, близкой к скорости света, станет короче, а время в ней будет течь медленнее, чем у наблюдателя, оставшегося на старте.
Теория относительности выявила, что в природе существует единое пространство-время и отдельно они выступают лишь как проекции, причем в макромире пространство расщепляется на три координаты, а время - на одну. Такую трактовку единства пространства и времени впервые предложил М. Минковский, немецкий математик и физик, так как в материальном мире положение каждого события определяется четырьмя числами: тремя пространственными координатами движущегося тела x, y, z и четвертой координатой - временем t. Эйнштейн считает, что этим Минковский впервые указал на формальное сходство пространственно-временной непрерывности специальной теории относительности с непрерывностью геометрического пространства Евклида.
В быту единство пространства-времени связано с тем, что, описывая какое-либо событие, мы говорим не только о месте, где оно происходило, но и времени, когда это произошло.
В зависимости от характера движения систем отсчета относительно друг друга происходят различные расщепления единого пространства-времени на отдельно пространственный и отдельно временной интервалы, но это происходит таким образом, что изменения одного как бы компенсируют изменения другого: сократился пространственный интервал - увеличился временной и наоборот. Таким образом, пространственные и временные свойства порознь оказываются изменчивыми при изменении скорости движения объектов, но пространственно-временные интервалы остаются неизменными.
Мы пришли к заключению, что между пространством и временем существует внутренняя связь как форм бытия материи. Но поскольку само изменение пространственных и временных интервалов зависит от характера движения тела, то пространство и время, прежде всего, определяются состоянием движущейся материи.
При переходе к общей теории относительности (для просторов Вселенной) геометрия пространства-времени определяется характером поля тяготения, которое зависит и определяется расположением тяготеющих масс. Вблизи больших тяготеющих масс пространство искривляется и в нем замедляется ход времени. Так связываются пространство, время, масса тела и сила тяготения, так осуществляется единство пространства, времени, материи и движения.
Утверждая неразрывность связи пространства-времени с движущейся материей, мы предполагаем, что развитие материи и появление новых форм движения должны сопровождаться становлением качественно специфических форм пространства и вре-мени. Три основные сферы материального мира: неживая природа - жизнь - общество, характеризуются и специфическими пространственно-временными структурами. Для неживой природы это рассмотренные выше микро-, макро - и мегамиры.
В макромире, где можно абстрагироваться от искривления пространства-време-ни, оно характеризуется евклидовой геометрией, то есть на плоскости в отсутствии сил тяготения. При наличии значительных сил тяготения пространство-время приобретает иную качественную форму - оно искривляется, причем эта форма зависит от плотности вещества и силы полей. Если плотность больше 10-29 г/см3, то пространство будет замкнутым и в нем будет несколько временных точек, в которых Вселенная будет сжиматься до сверхплотного состояния и вновь расширяться, то есть она будет пульсировать. Если плотность меньше этой величины, то кривизна не замкнута и в ней есть только одна временная точка (соответствующая Большому взрыву) и в ней начинается неограниченное расширение Вселенной. В этом случае, по мере разбегания галактик друг от друга, скорость возрастает и при скоростях, близких к скорости света, возникает эффект расщепления единого пространства-времени на отдельные составляющие. Это и есть точка, где скорость разбегания сравняется со скоростью света (метагалактический горизонт) и время здесь как бы останавливается (для наблюдателя).
В процессе эволюции Вселенной пространство-время переходило из одного качественного состояния в другое - в момент Большого взрыва это структура микромира с квантовыми эффектами, когда пространство-время было непрерывно и дискретно (это области 10-33 см и 10-43 с). Позже начинает формироваться мезо-, макро - и мегамиры, возникают новые виды материи с присущими им новыми формами движения и соответствующие типы пространственно-временных структур. Необходимо отметить, что форма пространства-времени всегда адекватна форме движения материи. Поэтому выделяют физическое, химическое, биологическое и социальное пространство-время.
Единство и многообразие свойств пространства и времени
Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая как самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микро - и мегамире. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи и неразрывно связаны с другими ее атрибутами. Специфические или локальные свойства проявляются лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем.
Всеобщие свойства пространства и времени:
Объективность и независимость от сознания человека и любых других разумных существ во Вселенной (если такие есть).
Абсолютность - они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех ее структурных уровнях.
Неразрывная связь друг с другом и движущейся материей.
Единство прерывности и непрерывности в их структуре - наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо "разрывов" в самом пространстве.
Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи.
Всюду, где есть любое взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно есть пространство и время. Всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое содержание все эти процессы.
Несмотря на единство пространства-времени, можно выделить свойства, которые характеризуют их по отдельности. Так, как для пространства, так и для времени можно выделить ряд общих и специфических черт или свойств.
Общие свойства пространства:
Протяженность - возможность прибавления к каждому элементу некоторого следующего элемента или, наоборот, уменьшение их числа. Это свойство связано со структурностью материальных объектов, которая обусловлена взаимосвязями и взаимодействиями между составляющими их элементами.
Связность и прерывность проявляются в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия, в передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо "разрывов" в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях. Прерывность имеет относительный характер и обусловлена раздельным существованием материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы, существованием многообразных структурных уровней организации материи с различными пространственными отношениями.
Трехмерность - все материальные процессы и взаимодействия осуществляются в пространстве трех измерений (длина, ширина и высота). Три измерения - это необходимый и достаточный минимум, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.
Единство метрических и топологических свойств - первые проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. Метрика может быть евклидовой и неевклидовой, причем с различной кривизной. Вторые характеризуют связь со временем и движением материи, бесконечность пространства.
Общие свойства времени:
Длительность - это последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующего. Она предполагает как прибавление каждого следующего интервала времени к данному моменту, так и отнятие. Она обусловлена единством устойчивости и изменчивости в мире. Как и протяженность пространства, длительность относится к метрическим свойствам.
Единство прерывного и непрерывного - сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений; непрерывный переход предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения. Но время складывается из множества последовательностей и длительностей существования конкретных объектов, каждый из которых существует конечный период, поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний. Но такая прерывность относительна, так как существует внутренняя связь и непрерывный переход между всеми сменяющими друг друга качествами.
Вечность - бесконечная последовательность любых интервалов бытия материи в прошлом и будущем, но она присуща лишь материи в целом (каждый конкретный объект или система существуют ограниченное время).
Необратимость - однонаправленность изменений от прошлого к будущему. Только прошлое порождает настоящее и будущее, переходит к ним. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Понятие настоящего многозначно, оно зависит от сопоставляемых интервалов и масштабов событий. Будущее - это события, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Но при этом можно быть уверенными, что от событий и систем будущего никаких воздействий и информации не может поступать, ибо эти системы еще не возникли, не обладают реальным существованием. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него - к будущему, но никогда наоборот. В этом свойстве времени проявляется его асимметрия.
Одномерность - это линейная последовательность событий, генетически связанных между собой.
Специфические свойства пространства:
Конкретные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению к другим, скорость пространственного перемещения, размеры тел.
Наличие внутренней симметрии и асимметрии. Различные виды симметрии - фундаментальное свойство неживой природы. Живому веществу свойственна асимметрия, которой обладает молекула живого вещества.
Изотропность - равноправие всех направлений пространства, отсутствие выделенных направлений (верх, низ и др.); независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Хотя полная изотропность присуща только вакууму, так же как и полная однородность - лишь абстрактному евклидову пространству.
Специфические свойства времени:
Конкретная длительность существования материальных систем от их возникновения до распада, ритмы процессов в них, соотношение между циклами изменений.
Скорость протекания процессов, темпы развития и соотношение между темпами на разных этапах эволюции.
С увеличением скорости движения тел и в мощных полях тяготения происходит относительное замедление всех процессов в телах, их собственное время как бы сокращается по отношению ко времени внешних систем. Конечность скорости распространения взаимодействий обусловливает относительность одновременности в различных системах. События, одновременные в одной системе, могут быть неодновременными по отношению к другой системе, движущейся относительно первой. Все это приводит к тому, что во Вселенной отсутствует единое время, как и одно единое пространство. Но каждая относительно меньшая материальная система существует и движется в пространстве и во времени большей системы, и между ними существует двусторонняя взаимосвязь (проявление принципа системности).
Понятие Вселенной
Вселенная - это место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Вселенную в целом изучает космология. Почему, говоря о Вселенной, мы как бы ограничиваем данное понятие зоной, доступной эмпирическому наблюдению? Это связано с тем, что для науки важно то, что можно проверить опытным путем, современными научными методами. Вселенная представляет собой материальный мир, изучаемый в больших масштабах. Изучаемыми аспектами являются структурные образования от элементарных частиц до Метагалактик. Ступенями этой лестницы служат атомные ядра, атомы и молекулы; макроскопические и космические тела, планетные системы, звездные скопления, галактики, скопления галактик и Метагалактика.
Галактика представляет собой скопление звезд и их систем, имеет свой центр - ядро и форму. Формы галактик очень разнообразны: сферическая, спиралевидная, эллиптическая, сплюснутая или не имеющая правильной формы. В состав галактики входит свыше 100 млрд звезд с общей массой около 1044 г, а также межзвездные пыль и газ, общая масса которых равна 0,05 массы звезд. Наша планета совместно с другими планетами Солнечной системы входит в галактику, которая называется Млечный путь. Концентрация звезд галактической плоскости образует на земном небе полосу Млечного пути, состоящую из 150 млрд звезд. Млечный путь состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры - 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском "диске" толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра расположено Солнце. Ближайшей к нашей галактике является Туманность Андромеды, до которой световой луч бежит 2 млн лет. Именно в этом созвездии в 1917 г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 г. Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях. В 1963 г. были открыты квазары с мощным радиоизлучением. Предполагается, что это ядра рождающихся новых галактик. Таким образом, процесс образования галактик продолжается до сих пор.
Метагалактика - это совокупность галактик, расположенных в области пространства, доступного современным средствам исследований.
Для нашего существования необходимую энергию дает Солнце, но оказывается и галактики нужны, так как из их ядер происходит непрерывное истечение водорода - основного строительного материала Вселенной. Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым "строительным материалом", дающим начало более сложным атомам в процессе атомных реакций. Звезды не случайно имеют различную величину: чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах. Вопрос образования и строения галактик изучает не только космология, но и космогония (от греч. гонейа - рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем.
В настоящее время космосом называют все находящееся за пределами атмосферы Земли. В древней Греции "космос" принимался как "порядок", "гармония" в противоположность "хаосу" - "беспорядку". Космология в основе своей открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого. Это изучение основано на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную. В-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (антропный принцип).
Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только при возможности проведения бесконечного количества экспериментов и, если они приводят к однозначному результату, делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. К происхождению Вселенной это методологическое правило неприменимо, так как наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а моделями, то есть возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные гипотезы являются моделями, так как они в процессе развития науки могут быть заменены другими концепциями.
Модель расширяющейся Вселенной
Вопрос возникновения и строения Вселенной волновал человечество с давних времен. Взгляды на эти вопросы изменялись в процессе исторического развития общества и формирования естественнонаучной картины мира. Так, на первых этапах модель Вселенной была геоцентрической (Птолемей) и конечной, то есть ограниченной сферой. Позже, в пределах этой модели Аристотель убрал четкие границы сферы и сказал о постепенном переходе физического мира в мир духов и эфира. Эта модель просуществовала до XVI в., когда Коперник предложил гелиоцентрическую модель, в центре которой находилось Солнце. Эта модель также предполагала конечность и внешней границей в ней служила сфера неподвижных звезд. Затем в этой модели Т. Диггс предложил отказаться от внешней границы, предположив, что звезды рассеяны по безграничному пространству. Это первая попытка представить Вселенную безграничной, она была поддержана и развита Дж. Бруно, который говорил не только о бесконечности Вселенной, но и множестве миров с живым населением, подобных Земле. В 1916 г. Эйнштейн предложил свою модель, по которой вся наблюдаемая астрономическая Вселенная как целое - однородна и изотропна безгранична. Как говорил сам Эйнштейн, "она безгранична, но конечна и является стационарной конечной сферически замкнутой"[1]. Для математического подтверждения этого вывода ученый вводит в уравнения полей особую космологическую постоянную, которая должна уравновесить силы тяготения на больших расстояниях. Но в 1922 г. петроградский физик А. Фридман установил, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. При этом были предложены три возможных "сценария" динамичности Вселенной. Согласно первому, если средняя плотность материи Вселенной меньше некоторой критической величины, то Вселенная расширяется, и этот процесс будет происходить вечно. По второму, если средняя плотность материи Вселенной больше некоторой критической величины, то Вселенная сжимается. По третьему, если средняя плотность материи Вселенной равна некоторой критической величине, то Вселенная пульсирует, то есть периоды сжатия сменяются расширением и наоборот. Первый "сценарий" был подтвержден в 1929 г. Хабблом, открывшим "красное смещение". Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота их уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит "покраснение", то есть линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Для всех далеких источников света было зафиксировано красное смещение, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Это смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, то есть о постоянном расширении Метагалактики. С этого момента модель Вселенной сменилась со стационарной на динамичную, расширяющуюся, с чем в дальнейшем согласился и Эйнштейн. Это позволило отказаться от космологической постоянной, которую сам же Эйнштейн назвал "самой грубой ошибкой своей жизни"[2]. Дальнейшее изучение состояния материи во Вселенной показало, что ее средняя плотность 10-31 г/см3, что меньше критической величины, которая составляет 6-10-30 г/см3. Именно это подтверждает, что процесс расширения будет продолжаться вечно.
В настоящее время в космологии наиболее признанной является именно модель однородной изотропной расширяющейся Вселенной, в основе которой лежат два предположения:
Однородность и изотропность Вселенной - это одинаковость свойств во всех ее точках и равенство всех направлений;
Основой описания гравитационного поля является уравнение Эйнштейна, из чего следует так называемая кривизна пространства и ее связь с плотностью массы (энергии).
Важнейшее свойство модели - нестационарность, которое определяется двумя постулатами теории относительности: первый - во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы относительно друг друга; второй - экспериментальное подтверждение постоянства скорости света. Такая модель в естествознании получила название стандартной.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшим примерно 10-20 млрд лет назад и давшим начало нашей современной Вселенной. По выражению С. Вайнберга: "Вначале был взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы"[3].
Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц, включая фотоны и нейтрино. Подтверждением теории Большого Взрыва и горячести начального состояния явилось открытие в 1965 г. американскими астрономами Вильсоном и Пензиасом реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Впервые понятие "реликтовое излучение" ввел И. С. Шкловский. Первоначально это излучение обладало огромной энергией, но расширение привело к охлаждению и уменьшению энергии квантов, то есть возросла длина их волны. Это фоновое излечние и сейчас существует во Вселенной, но уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Температура реликтового излучения по рассчетам Гамова должна составить около 3 К, по экспериментальным современным определениям она равна 2,74 К.
Рассматривая образовавшийся сгусток вещества и излучения необходимо понимать, что его нельзя рассматривать как бы со стороны, и считать, что он расширяется по направлению к нам (или от нас). Этот сгусток и есть сама Вселенная, и Земля находится внутри его. В процессе расширения все вещество Вселенной движется в направлении от Земли или от любого другого объекта в сгустке. Поэтому излучение сгустка бомбардирует Землю со всех сторон. Любой наблюдатель во Вселенной должен регистрировать это излучение с равной интенсивностью с любого направления в пространстве. Так как расширение продолжается около 10-20 млрд лет, то огромная начальная температура уменьшилась к настоящему времени до средней температуры Вселенной - порядка 3 К. Максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой, должен приходится на длину волны 0,1 см. Это означает, что если теория Большого Взрыва верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3 К, и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, то есть быть изотропным. Именно это излучение и открыли Пензиас и Вильсон. Они установили, что независимо от направления антенны в принимаемом сигнале присутствовала существенная величина энергии, соответствующая микроволновому участку спектра и температуре около 3,5 К. Все выглядело так, как если бы вся Вселенная была пронизана этим микроволновым фоном.
В результате взрыва образовалось пространство Вселенной и материя. В этот же момент, наряду с пространством и материей, возникло время, как писал еще в IV в. философ Августин, "мир сотворен с временем, но не во времени".
Из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла? В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы и действуют законы сохранения материи и энергии, религиозные философы доказывали, что под библейским "ничего" имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный затем Богом. Современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться "из ничего", то есть из вакуума. Физика XIX в. считала вакуум пустотой, что по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определен-ных условиях "рождать" вещественные частицы. Вакуум - это система, в которой длина свободного пробега атомов или молекул превышает размеры системы. В современном межзвездном пространстве содержится 1 атом в 1 см3, а длина свободного пробега атомов в сотни раз меньше, чем расстояние между звездами. В современных условиях масса межзвездного газа нашей галактики близка к миллиарду солнечных масс, хотя от массы галактики это всего 1%.
Современная квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в "возбужденное состояние", вследствие чего в нем образуется поле, а из него - вещество. С научной точки зрения рождение Вселенной "из ничего" означает ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Поэтому вакуум получил название физического или квантового. Такое объяснение стало возможным при признании наличия статистических закономерностей в природе. По теории американского астронома Девиса (1989), если современная Вселенная расширяется, то когда-то происходил противоположный процесс - сжатие, который был связан с флуктуациями в физическом вакууме, что привело к сверхплотному состоянию космической материи (плотность порядка 1025 г/см3 при температуре 1016 К) и вследствие этого к Большому взрыву и рождению нашей современной Вселенной. В результате флуктуаций появлялись виртуальные частицы, которые не только непрерывно рождаются и уничтожаются, но и участвуют во взаимоотношениях как реальные частицы, с чем, возможно, и связано наступление состояния переуплотнения (по аналогии с процессом спонтанной кристаллизации вещества при наступлении состояния пересыщения раствора). Благодаря флуктуациям вакуум и приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
Гипотеза происхождения Вселенной из "ничего" подтверждает, что рождение могло произойти в полном соответствии с законами физики естественным путем, без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей или творца - Бога.
Теория относительности Эйнштейна утверждает, что с исчезновением материи исчезнут и пространство и время. Перенося этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.
После Большого взрыва образовался сгусток плазмы, состояние, в котором находятся элементарные частицы - нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Качественный состав элементарных частиц менялся при ее расширении. Вероятно, через 10-43 с все фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Через 10-23 с возникли тяжелые фундаментальные частицы - кварки и антикварки. По мере уменьшения температуры и роста времени за счет аннигиляции число пар этих тяжелых частиц уменьшилось, затем они быстро исчезали. Далее еще через 10-2 с после Большого Взрыва наступает время легких частиц (лептонов). Вселенная как бы "омолодилась" и практически состояла только из лептонов и излучения (квантов). Затем от 1 до 10 с Вселенная, продолжая расширяться, потеряла и эти частицы, которые при аннигиляции превратились в фотоны. Но этим фотонам не хватало энергии, чтобы образовать электрон-позитронные пары, поэтому излучение преобладало над веществом - это эпоха излучения. Через 100 с после Большого Взрыва температура Вселенной упала до 109 К, и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начали соединяться в ядра легких элементов - 2/3 водорода и 1/3 гелия, а позже лития и бериллия. Этот период заканчивается через несколько часов и его называют нуклеосинтезом. В течение последующих миллионов лет продолжается расширение и охлаждение, но энергия фотонов значительно больше сил связи электронов и ядер, и поэтому атомы образовываться еще не могут. При снижении температуры до 104 К энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона стала больше энергии фотонов, что и позволило образоваться атомам. Космологи говорят, что Вселенная становится прозрачной, так как фотоны не взаимодействуют с веществом, и реликтовое излучение заполнило Вселенную. С этого момента температура упала с 104 К до 3 К в наше время. Таким образом, реликтовое излучение несет информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнился "всего" 1 миллион лет. Этот период называют физической эволюцией Вселенной.
Модель расширяющейся Вселенной встретилась с некоторыми трудностями, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать, но для такого торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения родилась в 1939 г. гипотеза о наличии во Вселенной так называемых "черных дыр", которые невозможно увидеть, но хранят в себе 9/10 массы Вселенной. Черные дыры - это такое состояние космических объектов, когда большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме и под действием собственного тяготения начинает неудержимо сжиматься. При этом наступает гравитационный коллапс (быстрое сжатие звезды под действием сил тяготения). Черные дыры являются заключительным этапом в жизни массивных звезд. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому черная дыры ничего не выпускает наружу и не отражает, поэтому ее невозможно обнаружить. В черной дыре происходит значительное искривление пространства и замедление времени. На определенном этапе сжатия начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается и происходит антиколлапсионный взрыв, и черная дыра превращается в белую. Предполагается, что черные дыры находятся в ядрах галактик и являются сверхмощными источниками энергии.
Модель расширяющейся Вселенной можно образно представить в виде раздувающегося шара, поверхность которого покрыта точками - галактиками, при раздувании эти точки расходятся все дальше и дальше друг от друга (по Хабблу). Удаление галактик происходит за счет раздвигания (расширения) поверхности. При этом пространство как бы вытягивается, а так как у поверхности сферы нет центра, то Вселенная не расширяется куда-то, а просто увеличивается в размерах.
Сценарий Большого Взрыва в целом оправдывает доверие научного мира, но не описывает самих причин "первотолчка" и его конкретной мощности. Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель - раздувающейся или "инфляционной Вселенной". Согласно этому сценарию раздувание в период времени от 10-43 до 10-32 с идет экспоненциально, со скоростью большей скорости света. Объяснение этого парадокса связано с тем, что это не наш мир со стандартным набором мировых констант, а сингулярность с квантовой гравитацией. Суть модели в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее (подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом). Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартной теории Большого Взрыва. Поскольку раздувающаяся Вселенная является принципиально открытой системой, то возрастание энтропии не происходит, и возникновение тепловой смерти невозможно. В этой модели проблема вакуума также является центральной. Далее развитие Вселенной аналогично моделии Большого Взрыва.
По современным представлениям вакуум - это особый тип физической реальности, наиболее фундаментальное состояние материи, сокрытое бытие и особое "ничто", потенциально содержащее всевозможные виртуальные частицы и при сообщении этому вакууму энергии из него можно извлечь любые реальные частицы и объекты. С точки зрения синергетики эти виртуальные элементарные частицы являются продуктами самоорганизации физического вакуума. Считается, что в вакууме вместе с увеличением плотности энергии возникают натяжения подобно тем, что возникают в твердом теле при деформации. Эти натяжения адекватны отрицательному давлению, которое и может служить первотолчком, приведшем к раздуванию. В одной из моделей вакуума предполагается, что он как бы перегретая жидкость и является резервуаром энергии, которая и реализовывается в резком и за короткое время расширении, раздувании Вселенной. То есть в основе инфляционной модели лежит спонтанное, самопроизвольное нарушение симметрии физического вакуума, что и приводит к рождению Вселенной.
По вопросу "начала" Вселенной М. Борн пишет: "Понятие начало относится лишь к нашей способности описывать положение вещей с помощью аппарата привычных нам понятий. Вопрос, имело ли место сотворение из ничего - не научная задача, а вопрос веры. Необходимо помнить, что начало Вселенной в том виде, как она нам известна, может быть концом другой формы развития материи, хотя практически невозможно узнать что-нибудь относительно этого периода, поскольку все следы были стерты в суматохе разрушения и перестройки". В дальнейшем, эти самые скачки и разрывы в единой цепи эволюции, американский ученый Р. Том назовет "катастрофами".
Структурнае уровни организации Вселенной
В процессе длительной эволюции во Вселенной образовались структурные уровни:
Мегамир, к которому относится Вселенная как целое, галактики, звездные системы и планеты; все эти объекты образовались в результате космической эволюции;
Макромир - биосфера (экологическая эволюция), сообщества, популяции, вид, индивид (биологическая эволюция);
Микромир - клетка (биологическая эволюция), молекула (химическая эволюция), атом, элементарная частица, кварк (физическая эволюция).
Мегамир - это мир больших космических масштабов и скоростей. В нем пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках; время - в миллионах и миллиардах лет. Макромир - это мир объектов, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле. Пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах; время - в секундах, минутах, часах и годах. Микромир - мир предельно малых масштабов. Пространственные характеристики исчисляются от 10-8 до 10-16 см, а время - от бесконечности до 10-24 секунды.
Эти структурные уровни находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, образуя иерархическую структуру: кварки > протоны и нейтроны > ядро атома > ядро + з ? атом > молекулы > природные тела > планетные системы > галактики > Вселенная.
Все материальные объекты Вселенной состоят из элементов или веществ. Наиболее распространенными в настоящее время являются: водород - 90%, гелий - около 9%, а на все остальные элементы приходится 1%. В распространении элементов наблюдается определенная тенденция - легких элементов больше, а тяжелых - меньше (исключая железо). Это и понятно, так как у тяжелых элементов больше протонов и нейтронов. Они могут образовываться при реакциях ядерного синтеза легких элементов, которые происходят при таких температурах, при которых преодолевается отталкивание одноименно заряженных частиц, то есть, чем больше протонов в ядре, тем сильнее силы отталкивания и тем труднее ядерный синтез. Такие температуры были в момент Большого взрыва и именно тогда шел ядерный синтез и образовывались различные элементы, из которых состоит вещество Вселенной. В своей таблице химических элементов Менделеев отразил эволюцию элементов во Вселенной и последовательность их возникновения: от самого легкого - водорода, до самого тяжелого - родона.
Все небесные тела современной Вселенной можно разделить на испускающие энергию - звезды и не испускающие - планеты, кометы, метеориты, космическая пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проникающей способности - нейтрино. Звезды - это фабрики по производству химических элементов и источники света и жизни. Они движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр, - это переменные (Тау Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых превышает 10 млн лет. Возможно из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование туманностей (скопление газов). Существуют очень крупные звезды - красные гиганты и сверхгиганты, нейтронные звезды, масса которых близка к массе нашего Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км). Они называются так потому, что состоят из огромного сгустка нейтронов.
Все планеты можно разделить на две группы: 1) планеты типа Земля - малые и 2) планеты-гиганты.
Для первых характерно отсутствие или наличие небольшого количества спутников, для вторых - наличие большого числа спутников. Спутники не имеют атмосферы, так как силы тяготения на их поверхности недостаточны для ее удержания.
К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием теплового излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионы километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия или несколько столетий).
В космосе постоянно происходят катастрофы - рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс.
В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности, при этом масса остается прежней. Обычная звезда превращается в "белого карлика", то есть звезду, имеющую относительно высокую температуру поверхности (от 7 до 30 тыс. градусов) и низкую светимость (во много раз меньшую светимости Солнца). Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же "падают" обратно из-за сил гравитации, то есть образуется "черная дыра", переходящая затем в белую.
Одной из стадий эволюции нейтронных звезд, как предполагается, является образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя как миллиарды Солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.
В настоящее время существует две основные гипотезы образования звезд и планет во Вселенной. По первой - небулярной модели (Канта-Лапласа, которая подробно будет рассмотрена в следующей части),- звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности. По второй, основанной на модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной (В. Амбарцумяна), возникновение галактик, звезд, планетных систем происходило из сверхплотного звездного вещества, состоящего из самых тяжелых элементарных частиц - гиперонов, находящегося в ядрах галактик, путем его фрагментации. Большинство современных ученых склоняется ко второму варианту. Будущее развитие естествознания решит, какая же из них ближе к истине.
Солнечная система и ее происхождение
Солнце - это плазменный шар (плотность всего 1,4 г/см3), хорошо нагретый (температура поверхности 6000о С). Оно имеет корону, в которой находятся факелы, протуберанцы. Солнце медленно вращается вокруг своей оси, совершая один оборот за 25 земных лет. Излучение Солнца - солнечная активность - имеет цикл 11 лет. При максимуме солнечной активности на Солнце особенно много пятен. Источником солнечной энергии, по-видимому, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Уменьшение массы Солнца в результате излучения составляет 4,3 млн т/с.
Скорость движения Солнца вокруг оси галактики - 250 км/с. Один полный оборот вокруг галактического центра солнечная система совершает за 180-220 млн лет. Ближайшая к нашей системе звезда - Проксима Центавра - располагается на расстоянии 4,2 световых лет.
Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5-5,5 млрд лет.
На вопрос о происхождении Солнечной системы в целом и нашей планеты пока нет однозначного ответа. Первая гипотеза возникновения Солнечной системы была создана немецким философом Кантом, а позже развита французским математиком и астрономом Лапласом. Ее сущность заключается в том, что наша планетная система образовалась при конденсации пылевой туманности. Правда, у Канта первоначально эта туманность была холодной и в процессе эволюции дифференцируется центральная часть - будущее Солнце, а позже планеты. По Лапласу - туманность горячая, находится в состоянии быстрого вращения, по закону сохранения момента движения эта скорость все увеличивается, и из-за больших центробежных сил в экваториальной части от этого сгустка стали отделяться кольца, которые в процессе дальнейшей конденсации и дали планеты. По гипотезе Лапласа планеты образовались раньше Солнца. Как видно, между гипотезами Канта и Лапласа есть принципиальная разница, но все же их в настоящее время объединяют, так как единством является внутренняя причина образования планетной системы в результате закономерного развития туманности, без дополнительного влияния извне. Такая гипотеза называется небулярной. Эта точка зрения просуществовала до 1900 г.
Но, с развитием астрономии и физики, когда было установлено, что число планет в системе 9, что все они имеют разный размер и массу и каждая вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси, стало ясно, что основной характеристикой такой системы (которую можно рассматривать как обособленную механическую систему) является момент количества движения или "запас вращения" системы. В Солнечной системе момент количества движения распределен между Солнцем и планетами следующим образом: на долю орбитального движения планет приходится 98% и только 2% - на вращение Солнца вокруг оси. Момент количества движения, связанный с вращением планет вокруг своих осей оказывается пренебрежительно малым из-за сравнительно их малых масс и радиусов. Гипотеза Канта-Лапласа не объясняла этого. Кроме того, у "протосолнца" момент количества движения должен был быть намного больше, чем у кольца, из которого образовались планеты системы, что противоречит фактическому распределению момента количества движения.
На смену гипотезе Канта-Лапласа пришла гипотеза американского ученого Джинса, по которой исходная материя для образования Солнечной системы была выброшена из Солнца при прохождении рядом с ним крупной звезды. При таком прохождении расстояние было столь мало, что этот момент назвали столкновением. В такой момент под действием приливных сил со стороны налетевшей звезды из поверхностных слоев Солнца была выброшена струя газа, которая, оставаясь в сфере притяжения Солнца, после ухода звезды и дала в процессе конденсации планеты системы. Эта гипотеза носит название "приливной".
Если бы все так и было, то количество планетных систем в галактике было бы ничтожно мало, что не соответствует современным данным. Так же и по этой гипотезе не объясняется распределение момента количества движения между Солнцем и планетами, то есть, почему основная его часть сосредоточена в орбитальном движении планет. Более поздние исследования показали, что в такой ситуации выброшенная струя газа не будет конденсироваться, а рассеется в пространстве. Американский астроном Вулфсон попытался внести коррективы в гипотезу Джинса, предположив,
Что сгусток или струя была выброшена не со стороны Солнца, а со стороны проходившей звезды. Солнце захватило сгусток, и его отдельные части, вращаяясь вокруг Солнца, дали планеты. По математическим расчетам эта модель верна только для больших планет, а для планет земной группы она несостоятельна.
В 1944 г. советский ученый О. Ю. Шмидт предложил теорию, по которой наша планетная система образовалась из вещества, захваченного из газопылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный вид". В этом случае, не возникает трудностей с вращательным моментом планет, так как первоначальный момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Позже эта теория была развита и дополнена английским ученым Литтлтоном. Такая гипотеза получила название "аккреционной" и весьма схожа с гипотезой "захвата" Джинса-Вулфсона, так как и в той и другой почти современное Солнце сталкивается с более или менее рыхлым космическим объектом, захватывая часть его вещества. Дальнейшие расчеты показали, что для такого захвата скорость прохождения Солнца через туманность должна быть невелика - порядка 100 м/с, при этом и скорость движения элементов газопылевой туманности должна быть около этой величины, то есть фактически Солнце как бы "застряло" в облаке. Скорее всего, Солнце и облако должны были иметь общее происхождение, то есть процесс образования планет связывается с процессом звездообразования.
Это послужило отправной точкой создания гипотезы академиком Фисенковым, который от чисто механического объяснения образования планет обратился к процессам, происходящим внутри Солнца. Согласно его представлениям процесс образования планет происходил во время перехода одного типа ядерных реакций в глубине Солнца к другому, что определялось температурным режимом. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам английского астронома Дж. Дарвина (сына знаменитого Ч. Дарвина) и русского ученого Ляпунова. Фисенков, таким образом, связал образование солнечной системы в единое целое и избавил теорию планетообразования от внешних случайных факторов. Кроме того, это согласуется и с данными о том, что само Солнце - это звезда второго порядка и солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках. В настоящее время механизм "перекачки" момента количества движения от центральной звезды к планетам предложен шведским ученым Альвеном, который предположил, что роль "передаточного ремня" может выполнять магнитное поле. Он исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов, которые под действием излучения и столкновений ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку. Слабость гипотезы в том, что ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов, а более отдаленные - из более тяжелых (железа, никеля), тогда как наблюдения говорят об обратном. Эти идеи развивались в космогонической гипотезе английского астрофизика Хойла. Он считает, что планеты образовались из газопылевой туманности с низкой первоначальной плотностью вещества. Отдельные "куски" туманности двигались относительно друг друга с беспорядочными скоростями. Поэтому туманность обладала некоторым моментом движения. В процессе конденсации туманности происходила потеря момента количества движения (до 99%), это произошло до образования звезды, в противном случае скорость движения новорожденной звезды должна была быть близкой к скорости света, что невероятно. Такая "утечка" момента может быть обусловлена межзвездным магнитным полем, по силовым линиям которого, как по струнам, происходила эта "перекачка".
Наиболее последовательным сторонником гипотезы образования Солнечной системы из первичной "солнечной" туманности является американский астроном Камерон, связавший в единый процесс образование звезд и планетных систем. Современная наблюдательная астрономия практически доказала, что звезды образуются путем конденсации облаков межзвездной среды в результате их гравитационной неустойчивости. Важно подчеркнуть, что сторонние причины могут увеличивать плотность облаков, после чего последние начинают сжиматься. Такими причинами могут быть взрывы сверхновых неподалеку от облака. Образовавшаяся после такого взрыва в межзвездной среде сильная ударная волна сжимает газ в облаке, создавая условия для дальнейшего сжатия уже под влиянием внутренней силы тяготения. Поэтому взрывы сверхновых могут служить стимуляторами процесса звездообразования. То, что у "колыбели" нашей планетной системы стояла взорвавшаяся звезда, Камерон обосновывает аномальным изотопным составом метеоритов, являющихся частью вещества Солнечной системы. По мере сжатия массивного облака оно разбивалось на более мелкие сгустки, одним из которых и была "солнечная" туманность. Первоначально газ туманности находился в состоянии быстрого, беспорядочного движения и по этой причине обладал значительным вращательным моментом, образовывался уплощенный диск, внутренняя неустойчивость которого привела к образованию в нем колец, которые дали начало гигантским протопланетам, из которых позже образовались планеты (в результате столкновения с твердыми частицами, их слипания образовывался сначала планетный зародыш). По расчетам советского астронома В. С. Сафонова для такой сборки Земли потребывалось бы около 100 млн лет. Последние наблюдения показали достаточную аргументированность и убедительность камероновской солнечной туманности.
Согласно современным представлениям второе решение проблемы образования Солнечной системы требует учета присутствующих магнитных полей, плазменного состояния вещества, эффекта взаимодействия магнитных полей с плазмой, магнитогидродинамических и газодинамических явлений, химических взаимодействий элементов. Процесс образования Солнечной системы имеет закономерный характер процессов этого типа, протекающих в общем потоке структурной самоорганизации Вселенной. Локальные структуры формируются при участии двух противоположных, но взаимосвязанных механизмов: фракционирования крупных неорганизованных образований (например, газопылевых облаков) и аккреции мелких частиц вещества с образованием более организованных крупных объектов, развивающихся затем как цельное естественное тело. Необходимое условие совместного действия этих механизмов - значительная неравновесность среды, в которой происходит формирование структур. Только признав, что планетная система формируется как единое целое в общем процессе, можно понять и объяснить наблюдаемую взаимопригнанность элементов и высочайшую ее устойчивость в целом. Но у локальных ее элементов, таких как планеты, сохраняется определенная автономия, индивидуальность развития, в основе которых лежат конкретные исходные условия образования.
Строение и эволюция Земли. Диалектика и теория катастроф
Земля, радиус которой 6,3 тыс. км, имеет массу 621 т, плотность 5,5 г/см3 и скорость вращения вокруг Солнца 30 км/сек. Раньше считали, что Земля имеет форму шара, но в настоящее время достоверно установлено, что она вытянута в меридианальном направлении, причем эллиптически вытянута в сторону северного полюса и по форме скорее напоминает яйцо. Поэтому правильно называть земной шар геоидом.
Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженность которой 10-80 км, мантии и ядра; ядро - из твердой железо-никелевой внутренней части и жидкой внешней, состоящей из смеси железа и серы. С жидким состоянием внешнего ядра связывают представление о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнитные исследования характера магнитного поля планеты в далеком прошлом, основанные на измерениях остаточных намагниченных земных пород, показали, что на протяжении последних 80 млн лет имело место не только изменение напряженности поля, но
И многократное систематическое перемагничивание, в результате которого северный и южный магнитные полюса Земли менялись местами, а масса жидкого ядра при том играет роль подвижного элемента, перемещаясь при вращении Земли вокруг своей оси.
Плотность и химический состав мантии резко отличается от соответствующих характеристик ядра. Она образована силикатами, а состав нижней мантии, как предполагают, подобен составу каменных метеоритов, хондритов. Верхняя мантия непосредственно связана с самым внешним слоем - корой. Она и обеспечивает состав слагающих кору пород. В определенных зонах происходит частичное плавление минералов, и образуются щелочные базальты - основа океанической коры. Через рифтовые разломы среднеокеанических хребтов базальты поступают из мантии на поверхность Земли. Этим не ограничивается связь коры и мантии. Хрупкая кора, обладающая высокой степенью жесткости, вместе с частью подстилающей мантии образует особый слой толщиной 100 км - это и есть литосфера. Данный слой опирается на верхнюю мантию, плотность которой заметно выше. Верхняя мантия обладает особенностью, определяющей характер ее взаимодействия с литосферой: по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным - как пластичный. Литосфера создает постоянную нагрузку на верхнюю мантию и под ее давлением подстилающий слой, называемый астеносферой, проявляет пластичные свойства и как бы "плавает" в нем. Такой эффект называется изостазией.
Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, в основном в виде окислов металлов.
Самые верхние оболочки Земли - гидросфера и атмосфера - заметно отличаются от оболочек, образующих твердое тело планеты. По массе это совсем незначительная часть земного шара, не более 0,025% всей его массы.
В атмосфере Земли преобладает азот и кислород. Разделяется она на топосферу (до 9-17 км) - "фабрику погоды", стратосферу (до 55 км) - "кладовую погоды", ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием солнечного излучения частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации выше атмосферы, состоящие из частиц высоких энергий, предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.
Образование Земли шло в русле единого процесса, вызвавшего дифференци-ацию недр и возникновение предшественников современной атмосферы и гидросферы. Вначале из зерен тяжелых нелетучих веществ оформилось протоядро Земли, затем оно очень быстро присоединило вещество, ставшее впоследствии мантией. Когда Земля достигла примерно размеров Марса, начался период ее бомбардировки планетезималиями. Удары сопровождались сильным локальным разогревом и плавлением земных пород. При этом выделялись газы и пары воды, содержавшиеся в породах. А так как средняя температура поверхности планеты оставалась низкой, пары воды конденсировались, образуя растущую гидросферу. В этих столкновениях Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Современный изотопный состав инертных газов в атмосфере согласуется с гипотезой об ударном происхождении газов и воды. Идея ударной дегазации, рассматриваемой как основной механизм образования гидросферы и атмосферы, сейчас находит все большее экспериментальное подтверждение.
В XIX в. сформировались в геологии две концепции развития Земли:
Посредством скачков - "теория катастроф" Ж. Кювье;
Посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам - "принцип униформизма" Ч. Лайеля.
Теория катастроф, или катастрофизм - учение 1-ой половины XIX в., рассматривавшее геологическую историю Земли как чередование длительных эпох относительного покоя и сравнительно коротких катастрофических физических событий, резко преображавших лик планеты. Для объяснения зафиксированных в толще пород огромных изменений, которые претерпела Земля и ее органический мир в далеком прошлом, в 1812 г. Ж. Кювье и выдвигает гипотезу о катастрофах, во время которых на большей части планеты якобы погибало все живое, а затем опустошенные места заселялись другими видами организмов, переживших катастрофу в отдаленных уголках планеты. Это была попытка не только объяснить грандиозность прошлых преобразований Земли, но и преодолеть противоречие между господствовавшими убеждениями в неизменности видов и уже тогда прочно установленным фактом многократной смены в геологическом разрезе отличных друг от друга ископаемых флор и фаун. Впоследствии его ученики насчитали в геологической истории Земли 27 катастроф. После каждой из них в результате очередного божественного "акта творения" создавались совершенно новые растения и животные, не связанные с ранее существовавшими и более сложно организованными. Такая концепция согласовывалась с библейской версией творения мира.
Однако теория катастроф сыграла и определенную положительную роль в распространении идеи прогресса в органическом мире и в эпизодических событиях, нарушающих однообразие в истории Земли. Это способствовало в дальнейшем формированию представлений о сочетании эволюционного и скачкообразного развития.
К середине XIX в. теория катастроф стала утрачивать свое значение в геологии благодаря победе представлений о том, что ныне действующих геологических факторов достаточно для осуществления за длительный срок всех перемен, зафиксированных в разрезе, - идеи униформизма. Ч. Лайель развивает эволюционное учение о медленном, непрерывном изменении земной поверхности под влиянием геологических факторов. Согласно его представлениям, Земля управляется причинами, которые никогда не действовали с иным уровнем энергии, нежели тот, который они обнаруживают ныне. Лайелевская Земля в ее непрерывных изменениях соответствовала модели ненаправленного динамического стационарного процесса, то есть ньютоновскому миропониманию.
Идеи катастрофизма вновь были возрождены в 1-й половине XX в. в виде неокатастрофизма. Немецкий геолог Х. Штилле и его последователи пытались доказать одновременность на всей планете фаз складчатости и горообразования, прерывающих эпохи относительного покоя и медленной эволюции коры. Немецкий палеонтолог О. Шиндевольф высказывал мысли о катастрофических событиях во Вселенной, вызывающих усиленную радиацию, обусловливающую гибель одних групп организмов и быстрые мутационные изменения других, приводящие к возникновению новых видов и родов живых организмов.
В 1908 г. ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, выделенного радиоактивными элементами, вполне достаточно для объяснения существования расплавленной магмы и извержения вулканов, а также смещения континентов и горообразования.
В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из очертаний континентов, что в карбоне (геологический период) существовал единый массив суши, названный им Пангеей (гр. - вся земля), которая раскололась на Лавразию и Гондвану; 135 млн лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн лет назад Северная Америка - от Европы; 40 млн лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи. В пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение расширения дна океанов в конце 50-х годов XX в., что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых "плавают" континенты. Эта теория подтверждается современными биологическими данными о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии.
Рельефы поверхности Земли и двух ближайших к ней планет существенно различаются, что объясняется, прежде всего, различиями вулканических и геологических процессов. Не без основания считают, что тектоническая активность может служить мерилом уровня жизнеспособности планеты в целом. Сокращение, а тем более прекращение такой деятельности рассматривается как признак умирания планеты, завершения цикла ее эволюционного развития. Ведь суть такого развития - активный обмен веществом и энергией между недрами и поверхностью планеты, в ходе которого формируются и поддерживаются атмосфера, гидросфера и господствующие формы рельефа поверхности. С прекращением такой деятельности преобладают процессы деградации.
На нашей планете тектонические процессы протекают активно и в наши дни, то есть ее геологическая история далека от завершения. Современный рельеф планеты сложился и продолжает видоизменяться под влиянием совместного действия на ее поверхности тектонических, гидросферных, атмосферных и биологических процессов. Рельеф земной поверхности в целом характеризуется глобальной асимметрией двух полушарий: одно из них представляет собой гигантское пространство, заполненное водой. Это - океаны, занимающие более 70% всей поверхности. В другом полушарии сосредоточены поднятия коры, образующие континенты.
В современную эпоху только Земля остается "живой" планетой, геологическое развитие которой продолжается, как в активной тектонической деятельности, так и в возникновении и взаимовлиянии живого и неживого. Порядка 4 млрд лет живое оказывает самое активное влияние на неживую часть планеты, взаимодействие которых привело к формированию особой оболочки - биосферы (Э. Зюсс, 1875). В 1958 г. А. Редфилд установил факт биологического контроля химических факторов среды. Он собрал данные, свидетельствующие о том, что кислород воздуха и нитраты, содержащиеся в морской воде, образованы в результате жизнедеятельности организмов, в значительной степени контролируются ею и, кроме того, количество этих жизненно важных веществ в море определяется биологическим круговоротом фосфора. По своей слаженности и организации эту систему можно сравнить с часами, но в отличие от них "заводной механизм" моря не сконструирован инженерами и его действие нам пока малопонятно. В 1979 г. английский физик Дж. Лавлок делает попытку экстраполировать гипотезу Редфилда на глобальный уровень. Позже совместно с американским микробиологом Л. Маргулис он создает гипотезу Геи (Гея от гр. - Земля). Она говорит о распространении биологического контроля на глобальный уровень развития планеты. Отдельные организмы не только сами приспосабливаются к физической среде, но и своей совместной деятельностью в экосистемах приспосабливают геохимическую среду к своим биологическим потребностям. Тот факт, что химия атмосферы и сильно забуференная физическая среда Земли резко отличаются от условий на любой другой планете, говорит о том, что организмы, особенно микроорганизмы вместе с физической средой, образуют сложную систему регуляции, поддерживающую на планете условия, благоприятные для жизни. По мнению Дж. Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, то ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы. Он сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру поверхности планеты, а также к росту биомассы. Подходя к гипотезе Геи с биологических позиций, Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящая система.
Таким образом, Земля является "фабрикой" по безотходному производству сложных соединений, минералов и живых тел, современный облик которой складывался неразрывно с процессом формирования Солнечной системы и Вселенной в целом, являясь закономерным процессом.
Понятие флуктуаций и бифуркации, их роль в эволюции Вселенной
В процессе эволюции огромное значение имеют флуктуации (от лат. fluctuatio - колебание). Флуктуации - это случайные отклонения наблюдаемых физических величин от средних значений. Флуктуации наблюдаются у величин и явлений, зависящих от случайных факторов, описываемых статистическими закономерностями. Рождение Вселенной из физического вакуума произошло в результате флуктуаций, вследствие чего появлялись виртуальные частицы, благодаря взаимодействию которых вакуум приобретал особые свойства, шло уплотнение массы, которая, достигнув определенного предела, взорвалась и привела к рождению Вселенной.
Флуктуации - это колебания без правильной периодичности. В живой природе они происходят в результате изменений абиотических факторов. На нашей планете в настоящее время огромную роль в возникновении флуктуаций играет антропогенный фактор, носящий, как правило, непериодический характер (тепловое загрязнение, изменение баланса газового состава атмосферы, загрязнение гидросферы органическими веществами и др.). Флуктуации приводят к отклонениям сложившиеся исторически типы от нормы.
К флуктуациям чувствительны все неравновесные, открытые системы. Так как все экосистемы являются открытыми, то они также подвержены флуктуациям, которые, зачастую, могут приводить к значительным изменениям, особенно внутри систем, что отвечает закону внутреннего динамического развития (зависимость отдельных компонентов системы не является линейной и незначительное изменение одного ведет к значительным изменениям других, что может вызвать разлад всей системы и даже ее гибель).
При формировании новых структур необходимым является, наряду с открытостью системы и нахождением ее вдали от равновесия, наличие флуктуаций. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости. От исхода конкуренции между устойчивостью и неустойчивостью из-за флуктуаций зависит порог устойчивости системы. Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, которое называется точкой бифуркации. Дословно бифуркация (от лат. bifurcus - раздвоенный) - разделение на две ветви одного калибра, которые позже уже не пересекаются. В точке бифуркации система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может перейти в новое качество, в новую область устойчивости (в физике - образование новой частицы; в химии - нового вещества; в биологии - нового вида). В этой точке система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции и даже небольшая флуктуация может послужить началом эволюции в совершенно ином направлении, которое резко изменить ее поведение. Такое явление называется событием.
Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчи-вого в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход - дело случая. В системе, прибывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации, под действием одной из них происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и "выбор" конечного состояния оказывается случайным. Процесс скачка одноразовый и необратимый. Поэтому точкой бифуркации можно считать критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние.
Обнаружение феномена бифуркации, как считает И. Пригожин, ввело в физику элемент исторического подхода. Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения как вероятностных представлений, так и классического детерминизма. Находясь между двумя точками бифуркации, система развивается закономерно, тогда как вблизи таких точек существенную роль играют флуктуации, которые и определяют, какой из путей дальнейшего развития будет избран. Таким образом, бифуркации являются отличительным признаком неравновесных открытых систем. В точке бифуркации флуктуации достигают такой силы, что организация системы не выдерживает и изменяется, в этой точке система может перейти в бессистемность - хаос или на более высокий уровень упорядоченности и стать диссипативной структурой, то есть структурой, для поддержания которой требуется большее количество энергии, чем для более простых, на смену которых она приходит.
Говоря о моменте рождения Вселенной, мы можем отметить, что в результате спонтанных флуктуаций система пришла в точку бифуркации и произошел перелом в системе - Большой взрыв и рождение Вселенной. Это подтверждает еще один важный вывод, что ни один процесс не может проходить по экспоненте или быть экспоненциальным до бесконечности (идти все время по нарастанию). Это возможно только до определенного предела - уплотнение массы в физическом вакууме шло до критической плотности, а затем - взрыв и расширение.
В истории развития биосферы выделяют две глобальные точки бифуркации: первая - появление прокариотов и вторая - появление разума, когда появилась способность материи познавать себя.
Таким образом, мы можем по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, в природе в целом. В развитии выделяются две фазы: плавная эволюция, ход которой достаточно закономерен и жестко детерминирован, и скачки в точках бифуркации, протекающие случайным образом и поэтому случайно определяющие последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке. Такой процесс развития характерен для всех структурных уровней Вселенной.
Модели будущего Вселенной
Как же в настоящее время ученые представляют себе будущее Вселенной? Этот вопрос решается в зависимости от того, какую модель Вселенной они возьмут за основу: открытую, постоянно расширяющуюся или сферически конечную (но безграничную).
Для сферически конечной модели Вселенной будущее связано с прохождением этапов в обратном порядке. После того, когда силы отталкивания Большого взрыва иссякнут, возобладают силы притяжения между космическими объектами и начнется сжатие, которое приведет вновь к образованию сверхплотного ядра и вновь к взрыву, то есть Вселенная находится в пульсирующем состоянии. Хотя вряд ли история ее эволюции всегда будет одинаковой. Каждый этап последующих пульсаций будет отличаться от предыдущих. По подсчетам физиков, сторонников этой модели будущего Вселенной, цикл расширение > остановка > сжатие должен занять около 100 млрд лет.
В случае "открытой" модели, который поддерживают большинство космологов, при неограниченном расширении и Вселенная, и составляющая ее материя будут подвергаться значительным качественным изменениям. Сроки эти, по сравнению с 15 млрд лет, которые существует Вселенная после взрыва, столь велики, что мы их определяем как "вечность". Советский ученый И. С. Шкловский приводит следующий "сценарий" будущего Вселенной.
По этой модели через 1014 лет "остынут", исчерпав ядерное горючее, все карликовые звезды (звезды с массой более нескольких сотых долей солнечной массы). Они превратятся сначала в белых карликов, а затем - в черных с размером порядка нашей Земли и огромной плотностью. В это время расстояния между космическими объектами будут велики, а возможность встречи - очень мала. Через 1015 лет планеты будут оторваны от своих материнских звезд, а через 1019 лет все звезды покинут свои галактики, а их центры сожмутся до плотности черной дыры. В это время Галактики прекратят свое существование, звезды остынут. Изоляция звезд будет постоянно увеличиваться, а светимость - падать. Позже (порядка 1030 лет) протон потеряет свою стабильность и, по предположению ученых, должен расщепиться на г-кванты и нейтрино. Но, если считать, что протон абсолютно стабилен и на всем протяжении лет законы природы будут неизменными, то через 1065 лет любое твердое тело даже при температуре абсолютного нуля становится жидким и все белые карлики станут сферическими жидкими каплями. Через 101500 лет любое вещество станет радиоактивным. За этот промежуток времени все легкие ядра сольются в тяжелые, а тяжелые станут делиться, все жидкие капли станут железными. Это процесс изменения разлетающихся звезд. А что же станет с ядром галактики, которое превратилось в черную дыру? Поскольку черные дыры, хоть и в ничтожных количествах, но излучают энергию, то через промежуток времени пропорциональный кубу массы дыры, они испаряться (так черная дыра "Лебедь Х-1" с массой 10 солнечных масс "испарится" через 1067 лет). То есть все черные дыры "испарятся", превратившись в сверхдлинновол-новое электромагнитное излучение. Останутся только железные карлики. Но через 1010 и 26 лет они превратятся либо в нейтронные звезды, а затем в черные дыры, либо сразу в черные дыры. Последние же через 1067 лет испарятся. Таким образом, при открытой модели Вселенной, через огромное количество лет она превратится в разлетающиеся сверхдлинноволновые кванты и нейтрино малых энергий.
Но возвращаясь к периоду в 15 млрд лет - Большой взрыв и до наших дней, его можно представить в виде одного года на нашей планете и тогда, по схеме американского астронома К. Сагана, он примет следующий вид:
- 1 января 0 ч 0 мин 0 с - Большой взрыв, 10 января - образование галактик, 9 сентября - образование Солнечной системы, 14 сентября - образование Земли, 25 сентября - возникновение жизни на Земле, 2 октября - образование древнейших скал на Земле, 9 октября - появление бактерий и сине-зеленых водорослей, 12 ноября - возникновение фотосинтеза, 15 ноября - появление клетки с ядром, 31 декабря 22 ч 30 мин - первые люди.
Говоря о возникновении и эволюции Вселенной, мы, прежде всего, используем антропный метод, то есть пытаемся применить наше понимание времени, пространства к Вселенной, приспособить ее огромные размеры к нашим понятиям, прежде всего - расстоянию и времени прохождения тех или иных процессов. Поэтому необходимо помнить о том, что мы под современной Вселенной понимаем обозримое нами пространство. Чем современнее наше инструментальное обеспечение, чем больше наши знания, тем шире становятся и просторы Вселенной
Природные системы
Корпускулярные и континуальные концепции описания природы.
Неравновесные системы.
Синергетика. Рождение порядка и хаоса.
Самоорганизация систем.
В начале ХХ в. возникли два абсолютно несовместимых, на первый взгляд, представления о материи: 1) или она абсолютно непрерывна; 2) или она состоит из дискретных частиц. Физики предпринимали многочисленные попытки совместить эти две точки зрения, но определенное время они оказывались безрезультатными. Казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода.
Атомизм или дискретность материи - древняя и принципиально важная идея, которая впервые была высказана в V в. до н. э. древнегреческим ученым Левкиппом. Он первым принял атомы за всеобщие начала всех материальных объектов природы. С тех пор концепция атомистического строения материи пронизывает все естествознание - от античной натурфилософии до наших дней.
Представления о дескретности материи лежали в основе и механистической картины мира, в которой жестко было предопределено любое событие с точки зрения механики. На основе дискретности материи была разработана земнаяы, небесная и молекулярная механика, и механизм стал рассматриваться в качестве универсального принципа. Но в физике накапливались данные, противоречащие механистическим представлениям. Так, наряду с расмотрением системы материальных точек, полностью соответствующей корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды для объяснения световых явлений вводилось понятие эфира - особой тонкой и абсолютно непрерывной световой материи. Позже, для объяснения теплоты, электричества и магнетизма аналогично вводили понятие сплошной разновидности материи или теплорода. Эти явления пытались искусственно подогнать под механическую картину мира, создав атомистическую модель эфира. В процессе длинных размышлений о сущности электрических и магнетических явлений М. Фарадей пришел к мысли о замене корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точными силовыми центрами. Взгляды на материю координально изменились: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такого принималось единое, абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точными центрами электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.
В связи с признанием идеи континуальности материи (поле-абсолютно непрерывная материя, пустого пространства просто нет) ньютоновская концепция пространства и времени как самостоятельных и независимых от материи субстанций уступила место реляционной (относительной) концепции пространства и времени.
Хотя законы электродинамики, как и законы механики однозначно предопределяли события и случайность все еще пытались исключить из физической картины мира, создание кинетической теории газов ввело в теорию, а затем и в электромагнитную картину мира понятие вероятности. Позже Эйнштейн вводит в эту картину мира идею относительности пространства и времени и устраняет противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Так, в 1916 г. появляется общая теория относительности, которая еще в рамках электромагнитной картины мира объясняет природу тяготения, вводя понятие об относительности пространства и времени и о кривизне единого четырехмерного поространственно-временного континуума, зависящей от распределения масс.
Окончательно электромагнитная картина мира была разрушена открытием явления радиоактивности, которое было связано с превращением одних элементов в другие и испусканием альфа - и бета - лучей. А в 1900 г. М. Планк, пытаясь построить теорию излучения, был вынужден признать возможным идею о прерывности процессов излучения. Смятение физиков усугубилось, когда в 1913 г. Н. Бор в своей модели атома предположил, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергию. Он излучает ее порциями только при перескакивании с однойбиты на другую. В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. То есть каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность) и дискретность ( квантовость). Эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга (1925-1927 гг.), а вскоре М. Борн показал тождественность волновой механики Шредингера и квантовой менханики Гейзенберга.
Так сложились новые, квантово-полевые о материи которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм. Одной из особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число чеакстиц.
Оканчательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и согласно теории относительности сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме в виде так называемых статистических законов. Принципиально новыми моментами являются:
Каждая элементарная частица обладает свойствами как карпускулы, так и волны;
Вещество может переходить в излучение;
Можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определнной вероятностью.
По современным представлениям о корпускулярно-волновом дуализме материи, ее дискретность и непрерывность дополняют друг друга. Кроме того атомизму, тоесть принципиальной дискретности или квантовости материи, сопутствует принципиальная непрерывность (предельная однородность) пустоты. Совершенно новый элемнт современной квантово-полевой картины мира - наличие в ней наблюдателя.
Квантово-полевая или квантово-релятивистская картина мира и в настоящее время развивается и дополняется все новыми и новыми элементами, гипотезами, теориями. Но принципиально важным остается признание карпускулярно - континуальной природы материи, единство пространства-времени и движущейся материи.
Научному мировозрению с XIX в. присуща идея развития. Но после открытия Кельвином и Клаузиусом второго начала термодинамики господствовало достаточно пессимистическое представление, что базовым состоянием материи является состояние термодинамического равновесия (хаоса) - самого простого из всех возможных состояний системы, необменивающейся энергией и веществом с окружающей средой. Господствующей тенденцией материи считалось стремление к разрушению спонтанно возникшей упорядоченности (в результате случайной мало вероятной флуктуации) и возвращению к исходному хаосу. Так возникает модель стационарной Вселенной.
Но ряд открытий, особенно в химии, значительно поколебал такое представление об окружающем мире. Так, выдающимся достижением химии ХХ века, нарушившим это представление, является изучение сложных систем и открытие цепных реакций. Это произошло еще до открытия в физике радиоактивного распада.
Н. Н. Семенов так описывает суть цепной реакции : "Энергии кванта достаточно для того, чтобы двухатомная молекула хлора распадалась на отдельные атомы, каждый из которых активнее первоначальной молекулы и потому легко вступает в реакцию с молекулой водорода. Она тоже двухатомна, один из ее атомов с хлором дает молекулу хлористого водорода, а другой атом водорода остается свободным и вступает в реакцию с ближайшей молекулой хлора, образуя вторую молекулу хлористого водорода и отдельный атом хлора... это повторяется многократно, возникает как бы длинная цепь реакций".
В химии этого периода были открыты колебательные реакции, получившие название "химических часов". Основа колебательных реакций - наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой Б (синие молекулы). Мы привыкли думать, что химические реакции - это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и Б должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия далеки от равновесия, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, что молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших макроскопических расстояниях через большие макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все Б реагируют разом. Такое поведение традиционно приписывалось только живому - теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых. То есть обнаруживается неравновестность систем.
Различают области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно меняется, что представлено в табл.
Отличие неравновесной структуры от равновесной заключается в следущем:
Система реагирует на внешние условия.
Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предистории.
Приток энергии создает в системе порядок, стало быть, энтропия ее уменьшается.
Наличие бифуркации - переломной точки в развитии системы.
Когерентность: система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (физическая гипотеза).
Несмотря на то что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстояниях порядка 10-8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была "информирована" о состоянии системы в целом.
Будучи представлена самой себе, при отсутствии доступа энергии из вне, система стремится к состоянию равновесия - наиболее вероятному состоянию, достигаемому при энтропии, равной нулю. Пример равновесной структуры - кристалл.
К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, то есть системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы называются открытыми.
Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.
Синергетика. Рождение хаоса.
Понятие хаоса играло немаловажную роль на протяжении всей истории развития человеческой мысли. С хаосом связывали представления о гибельном беспорядке, о неразличимой пучине, зияющей бездне. Собственно, такое представление является наиболее распространенным и в обыденной жизни. Тем не менее идея первичного хаоса, из которого потом все родилось, также достаточно распространена в древних мифах, восточной философии. И в ведийских "Ригведах", и в учении Платона встречается мысль о превращении изначального Хаоса в Космос и о последующем возникновении из него "жизнедеятельного".
Что же представляют собой хаотические системы в понимании современного естествознания? К таким системам относятся системы, для которых, зная их состояние в данный момент, нельзя предсказать состояние в любой следующий момент. Таким образом, хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Для хаотических систем необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами на макроуровне, а не только на микроуровне. Правда, в современном естествознании появилось интересное определение хаоса с точки зрения упорядоченности систем в процессе эволюции. Под хаосом понимается регулярная нерегулярность.
Начиная с 70-х годов ХХ в. бурно развивается направление, называемое синергетикой, в фокусе внимания которого находятся системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку. Синергетика (это понятие означает кооперативность, сотруднечиство, взаимодействие различных элементов системы), по определению ее создателя Г. Хакена, занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, ких как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы животных и даже люди. Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.
В синергетике возникновение упорядоченности сложных систем обусловлено рождением коллективных типов поведения под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который который оказывается способным выжить в условиях конкуренции.
Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим требованиям:
Открытость - обязательный обмен энергией и (или) веществом с окружающей средой;
Существенная неравновестность - достигается при определенных состояниях и при определенных значениях параметров, характеризующих систему, которые переводят ее в критическое состояние;
Выход из критического состояния скачком в процессе типа фазового перехода в качественно новое состояние, с более высоким уровнем упорядоченности.
Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения параметров системы (обычно они называются управляющими параметрами) вызывают очень сильные изменения состояния системы, ее переход в новое качество. Например, снижение температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.
Самоорганизация систем.
Самоорганизация - это способность системы к стабилизации некоторых параметров посредством направленной упорядоченности ее структурных и функциональных отношений с целью противостоять энтропийным факторам среды. Самоорганизация - структура в действии.
Процесс самоорганизации:
Для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна прийти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.
Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находиться в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее дезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придет в состояние полной дезорганизации.
Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравовесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к "расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.
В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип - положительную обратную связь. Согласно этому принципу изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.
Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. При описании необратимых процессов приходится отказываться от симметрии времени, характерной для обратимых роцессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.
Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для проявления кооперативного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.
Похожие статьи
-
Естествознание на современном этапе - Естествознание - единая наука о природе
(современное естествознание) Современная наука ведет свой отчет с 10-20-х гг. ХХ в. Для нее характерна ассоциация математических, гуманитарных и...
-
Естествознание - единая наука о природе - Естествознание - единая наука о природе
Понятие естествознания и определение науки. Цели и задачи естествознания Природа как объект познания Понятие естествознания и определение науки Решая...
-
Альтруизм в отношении со своими соплеменниками - Естествознание - единая наука о природе
Слияние отдельных групп в более крупные объединения для выполнения ряда важнейших функций: охрана, охота, земледелие, то есть формирования общественных...
-
Энергия - Естествознание - единая наука о природе
Земля планета солнечной энергии. "Живая сила" Лейбница. Основы термодинамики. Энтропия. Демон Максвела. На нашей планете основным источником энергии...
-
Патология. Факторы риска. Профилактика - Естествознание - единая наука о природе
Научное познание материя человек В результате механических, физических, химических, биологических, а для человека и психических воздействий на живой...
-
Понятие "метод" (от греч. "методос" -- путь к чему-либо) означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения...
-
Математика представляет собой науку, расположенную как бы на границах естествознания. Вследствие этого ее иногда рассматривают в рамках концепций...
-
Общенаучные методы исследования - Методология научного исследования в естествознании
Процесс познания как основа любого научного исследования представляет собой сложный диалектический процесс постепенного воспроизведения в сознании...
-
Специфика классического естествознания - Неклассическая наука и ее концептуальные основы
Постепенно в первой половине XX в. новая, неклассическая модель естествознания превратилась в целостную систему знания. Вес меньше места в ней оставалось...
-
Математика и окружающая среда - Методология научного исследования в естествознании
Повсюду нас окружают движение, переменные величины и их взаимо-связи. Различные виды движения и их закономерности составляют основной объект изучения...
-
Говоря о состоянии цивилизации, необходимо различать понятия "кризис", "катастрофа" и "коллапс". Кризис означает переломный момент, решительный исход, т....
-
Не существует таких явлений природы, технических или социальных процессов, которые были бы предметом изучения математики, но при этом не относились бы к...
-
Важной закономерностью развития науки принято считать единство процессов дифференциации и интеграции научного знания. Современную науку недаром называют...
-
Физика как наука, цели, задачи и методы исследования - Физическая картина мира
Физика - наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, а также законы ее...
-
Прикладная математика - Методология научного исследования в естествознании
Астрономы и физики раньше других поняли, что математические методы для них не только способы вычисления, но и один из основных путей проникновения в...
-
Слово "естествознание"- (естество - природа) означает знание о природе или природоведение. Последнее слово происходит от общеславянского термина "веды" -...
-
Глобализация - процесс слияния национальных экономик в единую, общемировую систему, основанную на быстром перемещении капитала, новой информационной...
-
Концепция В. И. Вернадского о биосфере - Концепция ноосферы и ее научный статус
Главной научной концепцией естествознания, позволяющей ученым правильно понимать законы, управляющие развитием окружающей нас природы, стала...
-
Взаимосвязь общей научной и естественнонаучной картин мира - Научная картина мира
Научный картина мир естественнонаучный Важнейшие концепции естествознания служат основой научных представлений об общей картине природы, поскольку в них...
-
Прежде всего, если мы рассматриваем научное естествознание, то ему присущи закономерности развития науки как таковой, но с учетом специфики развития...
-
Все сферы обществ. жизни влияют на мировую политику, глобальные процессы. Формируется глобальное политическое пространство как сфера протекания...
-
Наука как основной фактор ноосферы - Концепция ноосферы и ее научный статус
Необычен подход В. И. Вернадского к науке. Он ее рассматривал как геологическую и историческую силу, изменяющую биосферу и жизнь человечества. Она...
-
Целостный охват явлений природы, материального Космоса (научно понимаемое всеединство) он сочетал с естественноисторическим подходом со стремлением...
-
В гносеологическом плане глобальные проблемы рассматриваются как теоретическое определение задач, вытекающих из фиксируемых назревших противоречий...
-
Происхождение человека - Биология как естественная наука
Происхождение человека является одной из фундаментальных переменных проблем современного научного познания. Долгое время существовал традиционный подход...
-
Человек, познавая окружающий мир, стремится создать в своем сознании или воображении его определенную модель или, как говорят картину мира. На каждом...
-
С позиции самоорганизации в развитии открытых неравновесных систем выделяется плавный (эволюционный) этап, на протяжении которого не происходит серьезных...
-
Представления о биосфере - еще с 17 (Бюффон, Вик Дазир, Ламарк "Гидрогеология" (1802), Гумбольдт "Космос" (1845-1862). Зюсс "Лик Земли" (1875): биосфера...
-
Заключение - Закономерности и особенности развития современного естествознания
Говоря о закономерностях и особенностях развития современного естествознания как целостной науки о природе, отметим следующие моменты: Во-первых,...
-
Система методов технических медицинских исследований - Научные основы приборостроение в медицине
Инструментальные средства медико-биологических исследований представляют собой совокупность приборов, аппаратов, систем, комплексов и приспособлений к...
-
Научная картина мира. Понятие и структура научной картины мира - Научная картина мира
Научная картина мира - это целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникающая в результате обобщения и синтеза...
-
"Наша способность к самообмену по поводу работы собственного мозга почти безгранична главным образом потому, что часть, о которой мы можем сообщить,...
-
Практическое задание - Физическая картина мира
Электромагнитная картина мира XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие...
-
Биологическими маркерами принято считать устойчивые биохимические, физиологические, анатомические и иные признаки организмов, варьирующие в норме в...
-
В настоящее время оценка генетической структуры различных популяций осуществляется с использование биологических и небиологических источников информации,...
-
Заключение - Симметрия в природе
С симметрией мы встречаемся везде в природе, технике, искусстве, науке. Понятие симметрии проходит через всю многовековую историю человеческого...
-
Основные пространственно-временные виды симметрий - Симметрия в природе
1. Сдвиг начала координат. Эта операция не изменяет физических законов, что связано с физической эквивалентностью всех точек пространства, т. е. с его...
-
Основные положения концепции о ноосфере - Концепция ноосферы и ее научный статус
Еще в 1920 - 1930 гг. В. И. Вернадский, размышляя о геологической роли человека, вооруженного научной мыслью (разумом), пришел к выводу, что...
-
Глобалистика - система научных знаний о генезисе и современном состоянии глобальных проблем, и о возможных путях их решения. Глобалистика -...
-
Современная наука включает в себя естественные, общественные и технические науки. Глобальные процессы, требующие своего междисциплинарного осмысления,...
Научное познание: структура и методы - Естествознание - единая наука о природе